Kontinuerligt Bose-Einstein-kondensat åbner døren til kontinuert bølge-atomlasere PlatoBlockchain Data Intelligence. Lodret søgning. Ai.

Kontinuerligt Bose-Einstein-kondensat åbner døren til kontinuerlige atomlasere

Tidsstempel: 18. juni 2022 kl. 10

Et kontinuerligt Bose-Einstein-kondensat (BEC) er blevet produceret af forskere i Holland. Påstået som den første, præstationen har været søgt i årevis og kunne føre til kontinuerlige bølge atom lasere og en mere grundlæggende forståelse af fysikken i kondenseret stof.

googletag.cmd.push (funktion () {googletag.display ('div-gpt-ad-3759129-1');});

BEC'er dannes, når en gas af bosoniske atomer afkøles til ultrakolde temperaturer. En stor del af atomerne indtager systemets grundtilstand, og BEC opfører sig som et makroskopisk system beskrevet af en enkelt kvantebølgefunktion. BEC'er blev først lavet i 1995, og deres skabere blev belønnet med 2001 Nobelprisen i fysik.

BEC'er er strengt taget atomlasere, som kvantefysiker Florian Schreck fra University of Amsterdam forklarer: "Hvis du tager ordet laser som en betydning for lysforstærkning ved stimuleret emission af stråling, og du oversætter alle disse ord et efter et til deres atomækvivalenter, så er processen med at lave denne makroskopisk besatte tilstand den samme ting."

En konventionel laserstråle frembringes ved at trække noget af lyset ud af en optisk tilstand, der findes i et optisk hulrum. For at producere en kontinuerlig bølgelaser skal man pumpe energi ind i hulrumstilstanden lige så hurtigt som energi forlader via laserstrålen og andre tabsprocesser.

Påfyldning af atomer

Et af de centrale mål for atomoptik er at producere en kontinuerlig bølge atomlaser - et system, der leverer en kontinuerlig stråle af sammenhængende atomer. For at opnå dette skulle forskere tilføje nye atomer til en BEC mindst lige så hurtigt, som atomer i strålen forlod den.

Mens fotoner i det væsentlige er ikke-interagerende, danner ultrakolde atomer hurtigt molekyler, hvilket normalt er den største årsag til atomare tab i en BEC. For at opretholde en BEC kontinuerligt, er fysikere derfor nødt til at genopbygge disse atomer hurtigt og kontinuerligt. Alene dette har hidtil vist sig umuligt, selv uden at fjerne atomer for at danne en laserstråle.

I 2013 skabte Schreck og sine kolleger, dengang ved Østrigs Institut for Kvanteoptik og Kvanteinformation og Universitetet i Innsbruck, først BEC ved laserafkøling af atomer snarere end fordampningsafkøling. Laserafkøling er meget hurtigere og kræver ikke, at det meste af prøven går tabt. De låste en laser til en atomovergang med smal linjebredde i strontium for at afkøle en sky af atomerne, mens en anden laser øgede fangstpotentialet i midten af ​​fælden. Denne anden laser gjorde centret gennemsigtigt for laseren og tillod energi fra disse atomer, som blev varmet op efterhånden som deres tæthed steg, at diffundere væk til de omgivende atomer.

To-trins proces

Laserafkøling af strontiumatomer er dog en to-trins proces: Først afkøles atomerne fra ovntemperaturen ved hjælp af en bred, blå resonans, derefter afkøler en anden, meget smallere resonans atomerne fra 1 mK til omkring 1 μK.

"Desværre virker dette trick, som vi brugte til at beskytte BEC'en mod laserkølende fotoner, ikke for laseren med bred linjebredde," forklarer Schreck; "Så vi afkølede først vores prøve ved hjælp af det blå lys, og derefter slukkede vi for det." Denne sekventielle tilgang kunne derfor kun producere et kondensat intermitterende.

I det nye arbejde designede Schreck og kolleger en ny maskine med to separate vakuumkamre. Dette tillod dem at lede en stråle af atomer gennem begge og genopfylde BEC kontinuerligt.

"I stedet for at udføre alle disse køleovergange efter hinanden i tide, som folk altid gjorde før, udfører du dem én efter hinanden i rummet," forklarer Schreck. Resultatet var et kondensat, der blev udskiftet hurtigere, end det henfaldt, hvilket tillod det at vare ved på ubestemt tid.

Store fremskridt

Flere grupper har tidligere forsøgt at implementere sekventielle afkølingstrin ved hjælp af flere teknikker til at afkøle en række atomer, siger Shreck. “De gjorde store fremskridt, men de var ikke i stand til at presse det hele vejen igennem. Nu er teknologien bare mere moden, og strontium er bare rart, fordi det har denne snævre linjebredde køleovergang, som gjorde det nemmere for os."

Forskernes hovedmål er atomlasere med kontinuerlige bølger, som kan finde en lang række anvendelser i gravitationsbølgedetektion, mørk energisøgning, test af ækvivalensprincippet og andre steder. Schreck siger, at det er uklart præcist, hvor meget af strålen der kunne udvindes på nuværende tidspunkt, da simuleringer er upræcise, men han er "fuldstændig overbevist om, at det er mere end 20%" og mener, at øge forstærkningen yderligere skulle vise sig at være relativt enkel.

Ud over atomlaserstråler kunne kontinuerlige BEC'er imidlertid besvare vigtige spørgsmål inden for kondenseret stofs fysik. "Dette er et drevet, dissipativt system, og du kan i princippet have nye kvantefaser og kvanteadfærd i dynamiske systemer, hvor der er drive og dissipation," siger Schreck og tilføjer. "Teoretikere er ret interesserede i dette".

Jun Ye af JILA ved US National Institute for Standards and Technology og University of Colorado er imponeret. "Florian Schrecks gruppe har arbejdet på en kontinuerlig kilde til ultrakolde strontiumatomer i en årrække," siger han. "Det er virkelig tilfredsstillende at se, at de har lavet et stort gennembrud i at kombinere denne teknologi med en kontinuerlig Bose-stimuleret spredning af termiske atomer til et Bose-Einstein-kondensat af strontium-84. Denne teknologi, når den er udvidet med en mulighed for kontinuerlig output, vil have stor indflydelse på kvantesensorer lige fra stofbølge-interferometre til ure."

Forskningen er beskrevet i Natur.

Stillingen Kontinuerligt Bose-Einstein-kondensat åbner døren til kontinuerlige atomlasere dukkede først på Fysik verden.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden