Koldest: hvordan et brev til Einstein og fremskridt inden for laser-kølingsteknologi førte fysikere til nye kvantetilstande af stof – Physics World

I løbet af de sidste to årtier af det 20. århundrede slog atomfysikere gentagne gange rekorden for den koldeste temperatur i universet. Disse præstationer hvilede på en håndfuld fremskridt, herunder laserkøling (som beskrevet i del 1 af denne historie), den magneto-optiske fælde og teknikker såsom Sisyfos-køling, der fungerede bedre end forventet (som beskrevet i del 2). I 1990 afkølede fysikere rutinemæssigt titusinder af atomer til temperaturer nogle få titus mikrokelvin over det absolutte nulpunkt - tusind gange koldere end konventionel kryogenik og en brøkdel af "Doppler-afkølingsgrænsen" forudsagt for laserafkøling af simple atomer.

Så dramatisk som dette dyk dog var, vinkede et endnu mere udfordrende temperaturfald: en yderligere faktor på 1000, fra mikrokelvin til nanokelvin. Denne ekstra dråbe ville introducere en ny fysiks verden kendt som kvantedegeneration. Her tvinger lave temperaturer og høje tætheder atomer ind i en af ​​to eksotiske tilstande af stof: enten en Bose-Einstein kondensat (BEC), hvor alle atomerne i en gas smelter sammen til den samme kvantetilstand, eller en degenereret Fermi-gas (DFG), hvor den samlede energi af gassen holder op med at falde, fordi alle de tilgængelige energitilstande er fulde (figur 1).

BEC'er og DFG'er er rene kvantefænomener, og et atoms samlede spin dikterer, hvilken af ​​dem der vil dannes. Hvis atomet har et lige antal elektroner, protoner og neutroner, er det en boson og kan gennemgå BEC. Hvis totalen er ulige, er den en fermion og kan lave en DFG. Forskellige isotoper af det samme grundstof opfører sig nogle gange på modsatte måder - fysikere har lavet BEC'er af lithium-7 og DFG'er med lithium-6 - og denne forskel i lavtemperaturadfærd er en af ​​de mest dramatiske demonstrationer af den grundlæggende opdeling mellem kvantepartikler.

Som med tidligere gennembrud beskrevet i denne serie, opstod dykket til kvantedegeneration takket være nye teknologier introduceret i forskningslaboratorier spredt rundt i verden. Og - igen som med de tidligere fremskridt - kom en af ​​disse teknologier helt tilfældigt.

Laserkøling til en billig penge

I midten af ​​1980'erne Carl Wieman studerede paritetskrænkelse i cæsiumatomer ved University of Colorado, Boulder, i USA. Disse undersøgelser kræver tidskrævende og krævende spektroskopimålinger, og Wiemans ph.d.-studerende Rich Watts udviklet en måde at gøre dem på ved hjælp af diodelasere som dem, der fremstilles i millionvis til cd-afspillere.

Efter at have brugt år på at finde ud af, hvordan man stabiliserer og kontrollerer disse billige solid-state-enheder, ønskede Watts (ganske rimeligt) at afslutte sin ph.d., så han og Wieman så sig om efter et kortere eksperiment for at teste dem. Svaret, de ramte på, var laserkøling. "Det var denne sjove lille sideting at afslutte denne studerendes speciale," husker Wieman, "og det var fuldstændig sådan, jeg kom ind i [laserkøling]."

I 1986 blev Watts og Wieman først til at laserafkøle en stråle af cæsiumatomer. Watts var også den første til at laserkøle rubidium, som postdoc med Hal Metcalf ved Stony Brook University i New York, og han deltog i de sædvanlige eksperimenter, der afslørede sub-Doppler-afkøling Bill Phillips' laboratorium ved US National Institute of Standards and Technology (NIST) i Gaithersburg, Maryland. Men som en anden nøglespiller, vi vil møde i denne historie, forlod Watts scenen for tidligt og døde kun 39 år gammel i 1996.

Wieman havde i mellemtiden brug for et nyt videnskabeligt mål, noget der kun kunne gøres med kolde atomer. Sammen med nye kolleger og konkurrenter fandt han det i en meget gammel idé med en upåklagelig videnskabelig stamtavle: Bose-Einstein-kondensering.

Et løb til bunden

I 1924 Satyendra Nath Bose var fysiker ved University of Dhaka i det nuværende Bangladesh. Mens han underviste i det nye og hastigt udviklende felt inden for kvantefysik, indså han, at Max Plancks formel for lysspektret fra et varmt objekt kunne udledes af de statistiske regler, der styrer opførselen af ​​fotoner, som er langt mere sandsynlige end klassiske partikler. findes i de samme stater.

Bose havde problemer med at få sit værk udgivet, så han sendte en kopi til Albert Einstein, som elskede det så meget, at han sørgede for, at det blev offentliggjort i Zeitschrift für Physik ved siden af ​​sit eget papir. Einsteins bidrag omfattede at udvide fotonstatistik til andre typer partikler (inklusive atomer) og påpege en interessant konsekvens: ved meget lave temperaturer er den mest sandsynlige tilstand af systemet, at alle partiklerne indtager den samme energitilstand.

Denne kollektive tilstand kaldes nu en BEC og er tæt forbundet med superfluiditet og superledning, som observeres i henholdsvis væsker og faste stoffer ved temperaturer nær det absolutte nulpunkt. Selve BEC-overgangen kunne dog i princippet ske i en fortyndet gas af atomer - ligesom dem, atomfysikere begyndte at skabe i 1970'erne.

Der var dog et par barrierer. Den ene er, at den kritiske temperatur, ved hvilken en BEC dannes, bestemmes af densiteten: Jo lavere densiteten er, jo lavere den kritiske temperatur. Selvom Sisyphus-afkøling muliggjorde mikrokelvin-temperaturer, er laserkølede atomdampe så diffuse, at deres overgangstemperatur er endnu lavere i nanokelvinområdet. Det er også lavere end "rekyltemperaturen", der er forbundet med atomer, der absorberer eller udsender en enkelt foton. Afkøling under denne grænse skal derfor ske uden lasere.

En fordampning ad gangen

Den generelle løsning på disse problemer kom fra Daniel Kleppner og kolleger ved Massachusetts Institute of Technology (MIT). Det ligner den mekanisme, der køler en kop te. Vandmolekylerne i teen bevæger sig med forskellige hastigheder, og de hurtigste har nok energi til at bryde fri og flyde væk som vanddamp. Fordi disse "undslippere" bærer en større end gennemsnittet mængde energi, ender de resterende molekyler koldere. Når energien i deres bevægelse er omfordelt gennem kollisioner mellem molekyler, når systemet en ny ligevægt ved en lavere temperatur (figur 2).

Kleppners metode er kendt som fordampningsafkøling, og den kræver to elementer: et middel til selektivt at fjerne de varmeste atomer fra fælden, og en hastighed af kollisioner mellem atomer, der er høj nok til, at prøven kan re-ækvilibrere bagefter. Det første element kom hånd i hånd med løsningen på fotonrekylproblemet: atomer kan holdes "i mørket" ved at overføre dem fra en magneto-optisk fælde (MOT) til en rent magnetisk fælde som den, Phillips først lavede i 1983. De "varme" atomers højere energi kræver et større magnetfelt for at begrænse dem, og dette store magnetfelt frembringer et Zeeman-skift i atomernes energiniveauer. Et korrekt indstillet radiofrekvenssignal kan således vende de "varme" atomer ved dette høje felt til en ikke-fanget tilstand uden at forstyrre de koldere. De koldere atomer, der efterlades, er også begrænset til et mindre volumen, så efterhånden som temperaturen falder, øges tætheden, hvilket bringer systemet tættere på BEC på to måder.

Kollisionsspørgsmålet er dog ude af eksperimentelernes hænder. Den relevante hastighed er beskrevet af en enkelt parameter: den såkaldte spredningslængde for et par kolliderende atomer i bestemte tilstande. Hvis denne spredningslængde er moderat stor og positiv, vil fordampningen forløbe hurtigt, og det resulterende kondensat vil være stabilt. Hvis spredningslængden er for lille, vil fordampningen være meget langsom. Hvis den er negativ, vil kondensatet være ustabilt.

Den oplagte løsning er at vælge et atom med den rigtige spredningslængde, men denne parameter viser sig at være overordentlig svær at beregne ud fra de første principper. Det skal bestemmes empirisk, og i begyndelsen af ​​1990'erne havde ingen lavet de nødvendige eksperimenter. Følgelig valgte de grupper, der begyndte at forfølge BEC, forskellige elementer fra det periodiske system, idet de hver især håbede, at "deres" kunne vise sig at være "rigtige". Wieman og hans nye kollega Erik Cornell selv skiftet fra cæsium til rubidium, fordi rubidiums to stabile isotoper fordoblede deres chancer.

"Det vil aldrig fungere"

Fordi en MOT kan omdannes til en rent magnetisk fælde blot ved at slukke for laserne og køre mere strøm gennem magnetspolerne, var de første skridt mod BEC en ligetil udvidelse af laserkølingseksperimenter. Den resulterende "quadrupole trap"-konfiguration har kun ét stort problem: feltet i midten af ​​fælden er nul, og ved nulfelt kan atomer ændre deres indre tilstande til en, der ikke længere er fanget. Tilstopning af denne "lækage" af atomer fra fældecentret kræver, at man finder en måde at holde de fangede atomer fra at skifte tilstand.

I flere år var dette et stort område inden for laserkølingsforskning. Ud over Cornell og Wieman var en af ​​hovedudfordrerne i det intensiverende BEC-løb Wolfgang Ketterle fra MIT. Hans gruppe udviklede en måde at skubbe atomer væk fra nulfeltområdet ved hjælp af en blå-afstemt laser fokuseret på midten af ​​fælden som en "prop". Cornell og Wieman brugte på deres side en helt magnetisk teknik, de kaldte en tidskredsløbspotentiale (TOP) fælde.

Cornell udviklede TOP'en på en flyvning tilbage fra en konference i begyndelsen af ​​1994, delvist motiveret af behovet for at begrænse forstyrrelser i deres apparater. Selvom han og Wieman ikke havde plads til endnu en laserstråle, kunne de tilføje en lille ekstra spole omkring en akse vinkelret på quadrupolspolerne, og det ville flytte nulfeltpositionen. Atomer i fælden ville selvfølgelig bevæge sig mod det nye nul, men ikke hurtigt. Hvis de brugte to små spoler på forskellige akser drevet af oscillerende strømme til at flytte nullet i en cirkel et par hundrede gange i sekundet, kunne det være nok til at holde det, med Cornells ord, "overalt, hvor atomerne ikke er".

De testede ideen den sommer ved at bruge en lille spole drevet af en billig lydforstærker. Til at begynde med fik det tilføjede felt spolerne, der var viklet rundt om deres glasdampcelle, til at rasle alarmerende, og de drevne spoler gav et gennemtrængende, højt klynk, men princippet var forsvarligt, så de byggede en mere robust version. Et par måneder senere, i begyndelsen af ​​1995, diskuterede Cornell fældeplaner med Ketterle og kom væk og troede, at MIT-holdets optiske stik "aldrig ville virke. Det vil dybest set være en stor gammel slyngel, der peger derind." Han erkender dog, at Ketterle kan have følt det samme om TOPPEN: "Han tænker nok 'Det er den dummeste idé, jeg nogensinde har hørt i hele mit liv'. Så vi gik begge meget tilfredse fra den samtale."

Som det skete, virkede begge teknikker faktisk. Cornell og Wieman var de første til at demonstrere dette og udførte en række eksperimenter, hvor de lyste en laserstråle gennem deres kolde atomsky. Under disse "snapshots" ville atomer i skyen absorbere fotoner fra laseren og efterlade en skygge i strålen. Dybden af ​​denne skygge var et mål for skyens tæthed, mens skyens størrelse indikerede atomernes temperatur. Efterhånden som fordampningen skred frem, viste snapshots en sfærisk symmetrisk sky af atomer, der langsomt skrumpede og afkølede, efterhånden som varme atomer gradvist blev fjernet.

Så, i juni 1995, ved en temperatur på omkring 170 nanokelvin, skete der noget dramatisk: en lille mørk plet dukkede op i midten af ​​deres billeder, som repræsenterede atomer ved en drastisk lavere temperatur og højere tæthed. Cornell siger, at det ikke tog lang tid at finde ud af, hvad der foregik: "Den centrale tæthed skyder bare op. Hvad sker der der, hvis ikke Bose-Einstein-kondensering?"

For at bekræfte deres mistanker konverterede han og Wieman nogle af deres skyggebilleder til de nu ikoniske tredimensionelle plots (se billedet "Det fedeste resultat"), der viser de termiske atomer som en bred piedestal og BEC som en "spids", der dukker op i centret. Piggens form - bredere i den ene retning end den anden - kodede et fingerpeg. Fordi deres TOP-fælde var stærkere i lodret retning end vandret, blev kondensatet presset tættere i den retning, hvilket betyder, at det udvidede sig hurtigere i den retning efter frigivelse. Selvom de ikke havde forudsagt denne formændring, var de hurtigt i stand til at forklare det, hvilket øgede deres tillid til, at de havde nået BECs "hellige gral".

Cornell og Wieman annoncerede deres resultater (usædvanligt for de dage) på en pressekonference i begyndelsen af ​​juni 1995. Deres papir blev offentliggjort i Videnskab den følgende måned. I september producerede Ketterle og kolleger deres eget sæt 3D-plot, der viser en lignende "spids", der dukker op, da deres sky af natriumatomer nåede overgangstemperaturen. Cornell, Wieman og Ketterle fortsatte med at dele 2001 Nobelprisen i fysik til opnåelse af BEC i fortyndede atomare dampe.

Fermioner får deres mester

I de første måneder af 1995 rekrutterede Cornell en ny postdoc, Deborah "Debbie" Jin. Hendes mand John Bohn, en fysiker ved NIST i Boulder, husker Cornell, der sagde: "Mange mennesker vil fortælle dig, at BEC stadig er fri, men jeg tror virkelig, vi kommer til at gøre det." Han havde ret: Den første BEC fandt sted mellem det tidspunkt, hvor Jin sagde ja til at tage jobbet, og da hun begyndte at arbejde.

Jin kom fra et andet forskningsmiljø – hendes afhandling handlede om eksotiske superledere – men hun lærte hurtigt om lasere og optik og spillede en nøglerolle i tidlige eksperimenter, der undersøgte egenskaberne ved BEC. Som en stigende stjerne havde hun adskillige tilbud om en fast stilling, men hun valgte at blive på JILA, en hybridinstitution, der kombinerer ekspertise fra University of Colorado og NIST. Der, for at skelne sit arbejde fra det af Cornell og Wieman, besluttede hun at forfølge den anden klasse af ultra-lav-temperatur-adfærd: degenererede Fermi-gasser.

Hvor bosoner er styret af statistiske regler, der gør det mere sandsynligt, at to af dem findes i samme energitilstand, er fermioner absolut forbudt at dele stater. Anvendt på elektroner er dette Pauli-udelukkelsesprincippet, der forklarer meget af kemi: elektroner i et atom "fylder" de tilgængelige energitilstande op, og den nøjagtige tilstand af de sidste elektroner bestemmer de kemiske egenskaber af et givet grundstof. Fermioniske atomer i en magnetisk fælde adlyder en lignende regel: Når gassen afkøles, fyldes de laveste tilstande. På et tidspunkt er alle lavenergitilstande dog fulde, og skyen kan ikke skrumpe yderligere. Som med BEC er dette et rent kvantefænomen, der ikke har noget at gøre med interaktioner mellem partiklerne, så det burde kunne observeres i en gas af ultrakolde atomer.

Jin startede på JILA i 1997 med en enkelt kandidatstuderende, Brian DeMarco, som var blevet ansat af Cornell, men skiftede til at arbejde med Jin efter Cornells anbefaling. Som DeMarco husker det, fortalte Cornell ham: "Hvis du og Debbie kan være de første til at lave en DFG, vil det være en stor sag, og der er en god chance for at gøre det."

Parret begyndte med et tomt laboratorium, der manglede ens møbler. Bohn husker, at de sad på gulvet på det kontor, han delte med Jin, og samlede elektronik til deres fremtidige lasere. Inden for et år havde de dog et fungerende apparat til magnetisk indfangning og fordampningsafkøling af fermioniske kaliumatomer.

Jagten på en DFG udgør to udfordringer ud over dem, man står over for i BEC-løbet. Den første af disse er, at ved ultralave temperaturer stopper de kollisioner, der er nødvendige for re-ækvilibreringstrinnet med fordampningsafkøling, med at ske, fordi forbuddet mod at to fermioner er i samme tilstand forhindrer dem i at kollidere. For at løse dette anbragte Jin og DeMarco halvdelen af ​​deres atomer i en anden indre tilstand, hvilket gav nok krydstilstandskollisioner til at muliggøre fordampning. I slutningen af ​​processen kunne de fjerne en af ​​de to tilstande og afbilde resten.

Det andet problem er, at mens den eksperimentelle signatur af BEC er en gigantisk tæthedsspids i midten af ​​atomskyen, er Fermi-degeneration mere subtil. Nøglefænomenet med atomer, der nægter at klumpe sig sammen, manifesterer sig udramatisk i form af, at skyen holder op med at skrumpe yderligere, når overgangstemperaturen er nået. At finde ud af, hvordan man skelner den degenererede gas fra den termiske sky, krævede omhyggelig modellering og et billeddannelsessystem, der pålideligt kunne måle små ændringer i fordelingens form.

En Fermi-gas af atomer

På trods af disse udfordringer, blot 18 måneder efter at have startet med et tomt rum, offentliggjorde Jin og DeMarco den første observation af en degenereret Fermi-gas. Et par år senere, hold ledet af Ketterle, Randy Hulet på Rice University, Christophe Salomon på ENS i Paris, og John Thomas ved Duke University, fulgte efter.

Jin fortsatte i mellemtiden med at bruge lasere og magnetiske felter til at omdanne degenererede atomer til molekyler, hvilket åbnede nye grænser inden for ultrakold kemi. Dette arbejde tiltrak adskillige anerkendelser, herunder en MacArthur Foundation "genialt tilskud", I I Rabi-prisen fra American Physical Society (APS) og Isaac Newton-medalje fra Institut for Fysik. Jin ville også have været en shoo-in til endnu en Nobelpris i ultrakoldt atomfysik, men ak, hun døde af kræft i 2016, og prisen uddeles ikke posthumt.

Ud over præmier er Jins arv dog betydelig. Det underområde, hun startede, er vokset til et af de vigtigste områder inden for atomfysik, og hendes tidligere studerende og kolleger fortsætter med at lede undersøgelsen af ​​ultrakolde fermioner. Som en anerkendelse af hendes engagement i mentorordninger oprettede APS en årlig Deborah Jin-pris for fremragende doktorafhandlingsforskning i atom-, molekylær- eller optisk fysik.

En historie med igangværende opdagelser

Denne serie dækker lidt mere end et halvt århundrede. I løbet af den tid gik ideen om at bruge lasere til at manipulere atomer fra en inaktiv nysgerrighed i sindet på en enkelt Bell Labs-fysiker til en grundlæggende teknik til et stort udvalg af banebrydende fysik. Laserkølede ioner er nu en af ​​de vigtigste platforme for udviklingen af ​​kvanteinformationsvidenskab. Laserkølede neutrale atomer danner grundlaget for verdens bedste atomure. Og de kvantedegenererede systemer først observeret af Cornell, Wieman, Ketterle og Jin affødte et enormt underfelt, der forbinder atomfysik med kondenseret stoffysik og kemi. Laserkølede atomer er fortsat afgørende for fysikforskning, og ny historie bliver skrevet dagligt i laboratorier rundt om i verden.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/coldest-how-a-letter-to-einstein-and-advances-in-laser-cooling-technology-led-physicists-to-new-quantum-states-of-matter/