Πιο ψυχρό: πώς οι φυσικοί ξεπέρασαν το θεωρητικό όριο για την ψύξη με λέιζερ και έθεσαν τα θεμέλια για μια κβαντική επανάσταση - Physics World

Στα τέλη της δεκαετίας του 1960 μια μικρή κοινότητα ερευνητών άρχισε να χρησιμοποιεί δυνάμεις από το φως για να σπρώξει μικρά αντικείμενα γύρω. Μέσα στην επόμενη δεκαετία, το πεδίο επεκτάθηκε για να συμπεριλάβει την ψύξη με λέιζερ, μια ισχυρή τεχνική που εκμεταλλεύεται το Μετατόπιση Doppler να παράγει μια δύναμη που μπορεί μόνο να επιβραδύνει τα αντικείμενα και ποτέ να μην τα επιταχύνει. Καθώς περνούσαν τα χρόνια, αυτά τα νέα πειράματα ψύξης με λέιζερ αναπτύχθηκαν κατά μήκος των δύο παράλληλων τροχιών – ιόντων και ατόμων – που εξερευνήθηκαν σε μέρος 1 αυτής της σειράς: "Κρύο: πώς οι φυσικοί έμαθαν να χειρίζονται και να μετακινούν σωματίδια με ψύξη λέιζερ".

Από πολλές απόψεις, τα ιόντα είχαν ένα πρώιμο πλεονέκτημα. Λόγω του ηλεκτρικού τους φορτίου, βιώνουν ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις, οι οποίες είναι αρκετά ισχυρές ώστε να τους επιτρέπουν να πιαστούν σε ηλεκτρομαγνητικές παγίδες σε υψηλές θερμοκρασίες και να ψύχονται από λέιζερ σε μήκη κύματος υπεριώδους. Μέχρι το 1981 οι παγιδευτές ιόντων είχαν τελειοποιήσει αυτή την τεχνική σε σημείο που μπορούσαν να παγιδεύσουν και να ανιχνεύσουν μεμονωμένα ιόντα και να πραγματοποιήσουν φασματοσκοπία σε αυτά με πρωτοφανή ακρίβεια.

Τα άτομα, αντίθετα, πρέπει να επιβραδυνθούν προτού παγιδευτούν από ασθενέστερες δυνάμεις που ασκούνται από το φως και τα μαγνητικά πεδία. Ακόμα, μέχρι το 1985 Μπιλ Φίλιπς και συναδέλφους στο Εθνικό Γραφείο Προτύπων των ΗΠΑ στο Gaithersburg, Maryland, είχε χρησιμοποιήσει το φως για να επιβραδύνει μια δέσμη ατόμων νατρίου σχεδόν μέχρι να σταματήσει, και στη συνέχεια τα περιόρισε σε μια μαγνητική παγίδα. Πέρα από αυτό, η κύρια πρόκληση για τους επίδοξους δαμαστές ατόμων φαινόταν να περιλαμβάνει την οικοδόμηση αυτού του έργου για να γίνει πιο αποτελεσματική η παγίδευση ουδέτερων ατόμων και η ώθηση των ορίων της ίδιας της διαδικασίας ψύξης.

Και τα δύο έργα θα πετύχουν πέρα ​​από τις προσδοκίες κανενός. Και όπως είδαμε στο μέρος 1, οι ρίζες αυτής της επιτυχίας πηγαίνουν πίσω Άρθουρ Άσκιν at Bell Labs.

Καλή ιδέα, ανεπαρκής εκτέλεση

Όταν συναντήσαμε για τελευταία φορά τον Ashkin, ήταν το 1970 και είχε μόλις αναπτύξει την τεχνική «οπτικής τσιμπίδας» που θα του κέρδιζε το βραβείο Νόμπελ σχεδόν 50 χρόνια αργότερα. Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1970 εργαζόταν με τους συναδέλφους του στο Bell Labs σε πειράματα που αφορούσαν μια ατομική δέσμη. "Ρικ Φρίμαν είχα μια μηχανή ατομικής δέσμης και είχα κάποια πειράματα που θα ήταν ενδιαφέρον να κάνω με μια ατομική δέσμη, αλλά δεν ήμουν πολύ ενθουσιασμένος με την κατασκευή μιας μηχανής ατομικής δέσμης», θυμάται ο τότε συνάδελφος του Ashkin, John Bjorkholm.

Με την επικάλυψη μιας δέσμης λέιζερ με τη δέσμη ατόμων, οι Ashkin και Bjorkholm έδειξαν ότι ήταν δυνατό να εστιάσουμε ή να αποεστιάσουμε τα άτομα ρυθμίζοντας τη συχνότητα του φωτός. Με το λέιζερ συντονισμένο στο κόκκινο – σε ελαφρώς χαμηλότερη συχνότητα από ό,τι «θέλουν» να απορροφήσουν τα άτομα – η αλληλεπίδραση μεταξύ των ατόμων και του φωτός θα μείωνε την εσωτερική ενέργεια των ατόμων (η «μετατόπιση φωτός»), τραβώντας τα άτομα στη δέσμη λέιζερ. Με το λέιζερ συντονισμένο στο μπλε, τα άτομα ωθήθηκαν προς τα έξω.

Ο Ashkin είχε αρκετές ιδέες για τη μετατροπή αυτού του φαινομένου σε μια «ολο-οπτική» μέθοδο για την παγίδευση ατόμων (δηλαδή, χωρίς τα μαγνητικά πεδία που χρησιμοποιούσε η ομάδα του Phillips). Δυστυχώς, ο Ashkin και η Bjorkholm δυσκολεύτηκαν να το εφαρμόσουν επειδή η ατομική δέσμη του Freeman κατασκευάστηκε με παράθυρα από πλεξιγκλάς που δεν μπορούσαν να αντέξουν αρκετά χαμηλές πιέσεις. Τα άτομα και τα μόρια που διέρρευσαν από το εξωτερικό δεν επηρεάστηκαν από τα λέιζερ ψύξης και ως αποτέλεσμα, όταν συγκρούονταν με άτομα της δέσμης, έδιωξαν τα άτομα-στόχους από την παγίδα. Μετά από μερικά χρόνια απογοητευτικών αποτελεσμάτων, η ηγεσία της Bell Labs επιβραδύνθηκε με τα πειράματα και ώθησε τον Ashkin να ακολουθήσει άλλα πράγματα.

Κολυμβητές σε παχύρρευστο ρευστό

Εκείνη την εποχή, ένας νεαρός ερευνητής με (αυτοπεριγραφόμενη) φήμη ως «ένας τύπος που μπορούσε να κάνει δύσκολα πειράματα» μετακόμισε σε ένα γραφείο κοντά στο Ashkin's στις εγκαταστάσεις του Holmdel των Bell Labs. Το όνομά του ήταν Steve Chu, και άρχισε να ενδιαφέρεται για τις ιδέες του Ashkin. Μαζί, κατασκεύασαν ένα εξαιρετικά υψηλό σύστημα κενού κατάλληλο για ψύξη και παγίδευση ατόμων, συν ένα σύστημα για να επιβραδύνει τα άτομα νατρίου σαρώνοντας γρήγορα τη συχνότητα του λέιζερ για να αντισταθμίσει τη μεταβαλλόμενη μετατόπιση Doppler. Η τελευταία τεχνική είναι γνωστή ως «ψύξη με κελαηδήματα». Κατά ευτυχή σύμπτωση, οι επιστήμονες που ανέπτυξαν μια από τις βασικές τεχνολογίες της ήταν επίσης στο Holmdel.

Σε αυτό το σημείο, ο Chu πρότεινε να ψύχουν εκ των προτέρων τα άτομα φωτίζοντάς τα με τρία κάθετα ζεύγη ακτίνων λέιζερ με αντίθετη διάδοση, όλα συντονισμένα σε μια συχνότητα ακριβώς κάτω από τη συχνότητα μετάβασης των ατόμων όπως συζητήθηκε στο μέρος 1. Αυτή η διαμόρφωση παρέχει μια δύναμη ψύξης Και στις τρεις διαστάσεις ταυτόχρονα: ένα άτομο που κινείται προς τα πάνω βλέπει την καθοδική δέσμη λέιζερ Doppler να μετατοπίζεται προς τα πάνω, να απορροφά φωτόνια και να επιβραδύνει. ένα άτομο που κινείται προς τα αριστερά βλέπει φωτόνια στη δέσμη που πηγαίνει προς τα δεξιά να μετατοπίζονται προς τα πάνω και ούτω καθεξής. Ανεξάρτητα από τον τρόπο που κινούνται τα άτομα, αισθάνονται μια δύναμη που αντιτίθεται στην κίνησή τους. Η ομοιότητα με τα δεινά ενός κολυμβητή σε ένα παχύρρευστο υγρό οδήγησε τον Chu να το ονομάσει «οπτική μελάσα» (εικόνα 1).

Η ομάδα των εργαστηρίων Bell παρουσίασε οπτική μελάσα το 1985, συλλέγοντας χιλιάδες άτομα από μια δέσμη που ψύχεται με τσιρίσματα. Όπως αρμόζει στο όνομα, η οπτική μελάσα ήταν πολύ «κολλώδης», κρατώντας τα άτομα στις επικαλυπτόμενες δέσμες για περίπου ένα δέκατο του δευτερολέπτου (πρακτικά μια αιωνιότητα στην ατομική φυσική) προτού περιπλανηθούν έξω. Ενώ στην περιοχή της μελάσας, τα άτομα απορροφούν και εκπέμπουν συνεχώς φως από τα ψυκτικά λέιζερ, έτσι εμφανίζονται ως ένα διάχυτο λαμπερό σύννεφο. Η συνολική ποσότητα φωτός παρείχε ένα εύκολο μέτρο του αριθμού των ατόμων.

Οι Ashkin, Chu και οι συνεργάτες τους ήταν επίσης σε θέση να υπολογίσουν τη θερμοκρασία των ατόμων. Το έκαναν αυτό μετρώντας πόσα άτομα υπήρχαν στη μελάσα, σβήνοντας το φως για μικρό χρονικό διάστημα, στη συνέχεια ανάβοντάς το ξανά και μετρώντας ξανά τον αριθμό. Κατά τη διάρκεια του σκοτεινού διαστήματος, το νέφος του ατόμου θα διαστέλλεται και ορισμένα άτομα θα διαφεύγουν από την περιοχή των δεσμών μελάσας. Αυτός ο ρυθμός διαφυγής επέτρεψε στην ομάδα να υπολογίσει τη θερμοκρασία των ατόμων: περίπου 240 microkelvin – ακριβώς σύμφωνα με το αναμενόμενο ελάχιστο για τα ψυχόμενα με λέιζερ άτομα νατρίου.

Μετατρέποντας τη μελάσα σε παγίδα

Παρά το κολλώδες της, η οπτική μελάσα δεν είναι παγίδα. Αν και επιβραδύνει τα άτομα, μόλις τα άτομα παρασυρθούν στην άκρη των ακτίνων λέιζερ, μπορούν να διαφύγουν. Μια παγίδα, αντίθετα, παρέχει μια δύναμη που εξαρτάται από τη θέση, ωθώντας τα άτομα πίσω σε μια κεντρική περιοχή.

Ο απλούστερος τρόπος για να δημιουργήσετε μια παγίδα είναι με μια σφιχτά εστιασμένη δέσμη λέιζερ, παρόμοια με την οπτική λαβίδα που ανέπτυξε η Ashkin για την παγίδευση μικροσκοπικών αντικειμένων. Ενώ ο όγκος της εστίασης του λέιζερ είναι ένα μικροσκοπικό κλάσμα του όγκου της μελάσας, οι Ashkin, Bjorkholm και (ανεξάρτητα) Chu συνειδητοποίησαν ότι ένας σημαντικός αριθμός ατόμων θα μπορούσε ωστόσο να συσσωρευτεί σε μια τέτοια παγίδα μέσω τυχαίας διάχυσης στη μελάσα. Όταν πρόσθεσαν μια ξεχωριστή, παγιδευτική δέσμη λέιζερ στη μελάσα τους, τα αποτελέσματα ήταν πολλά υποσχόμενα: μια μικρή φωτεινή κηλίδα εμφανίστηκε στο διάχυτο σύννεφο μελάσας, που αντιπροσώπευε αρκετές εκατοντάδες παγιδευμένα άτομα.

Ωστόσο, το να ξεπεράσουμε αυτό, παρουσίαζε τεχνικές προκλήσεις. Το πρόβλημα είναι ότι η μετατόπιση στα επίπεδα ατομικής ενέργειας που καθιστά δυνατή την οπτική παγίδευση μιας δέσμης παρεμποδίζει τη διαδικασία ψύξης: όταν το λέιζερ παγίδευσης μειώνει την ενέργεια της βασικής κατάστασης του ατόμου, αλλάζει τον αποτελεσματικό αποσυντονισμό συχνότητας του λέιζερ ψύξης. Η χρήση δεύτερου λέιζερ και η εναλλαγή μεταξύ ψύξης και παγίδευσης βελτιώνει τον αριθμό των ατόμων που μπορούν να παγιδευτούν, αλλά με κόστος πρόσθετης πολυπλοκότητας. Για να σημειώσουν περαιτέρω πρόοδο, οι φυσικοί θα χρειάζονταν είτε ψυχρότερα άτομα είτε καλύτερη παγίδα.

Η γαλλική σύνδεση

Και οι δύο ήταν στον ορίζοντα. Κλοντ Κοέν-Ταννουτζί και η ομάδα του στην École Normale Supérieure (ENS) στο Παρίσι ασχολούνταν κυρίως με την ψύξη με λέιζερ από τη θεωρητική πλευρά. Jean Dalibard, τότε ένας νέος διδάκτορας στην ομάδα, θυμάται ότι μελετούσε θεωρητικές αναλύσεις από τον Ashkin και Jim Gordon («ένα φανταστικό χαρτί») και από το σοβιετικό δίδυμο του Vladilen Letokhov και Vladimir Minogin, οι οποίοι (με τον Boris D Pavlik) είχε εξαγάγει την ελάχιστη θερμοκρασία που μπορούσε να επιτευχθεί με ψύξη λέιζερ το 1977.

Όπως είδαμε στο μέρος 1, αυτή η ελάχιστη θερμοκρασία είναι γνωστή ως όριο ψύξης Doppler και προέρχεται από τις τυχαίες «κλωτσιές» που συμβαίνουν όταν τα άτομα εκπέμπουν εκ νέου φωτόνια αφού απορροφήσουν φως από μία από τις δέσμες ψύξης. Περίεργος για το πόσο σταθερό ήταν πραγματικά αυτό το «όριο», ο Dalibard αναζήτησε τρόπους να κρατήσει τα άτομα «στο σκοτάδι» όσο το δυνατόν περισσότερο. Για να το κάνει αυτό, εκμεταλλεύτηκε μια ιδιότητα πραγματικών ατόμων που δεν συλλαμβάνεται από την τυπική θεωρία ψύξης Doppler: οι πραγματικές ατομικές καταστάσεις δεν είναι μεμονωμένα ενεργειακά επίπεδα, αλλά συλλογές υποεπίπεδων με την ίδια ενέργεια αλλά διαφορετική γωνιακή ροπή (εικόνα 2).

Αυτά τα διαφορετικά υποεπίπεδα, ή καταστάσεις ορμής, αλλάζουν ενέργεια παρουσία μαγνητικού πεδίου (φαινόμενο Zeeman). Καθώς το πεδίο δυναμώνει, ορισμένες καταστάσεις αυξάνονται σε ενέργεια, ενώ άλλες μειώνονται. Αυτοί οι ρόλοι στη συνέχεια αντιστρέφονται όταν αντιστραφεί η κατεύθυνση του πεδίου. Ένας περαιτέρω πολύπλοκος παράγοντας είναι ότι η πόλωση του φωτός του λέιζερ καθορίζει ποια υποεπίπεδα θα απορροφήσουν φωτόνια. Ενώ μια πόλωση μετακινεί άτομα μεταξύ καταστάσεων με τρόπο που αυξάνει τη γωνιακή ορμή, μια άλλη τη μειώνει.

Στη θεωρητική του ανάλυση, ο Dalibard συνδύασε αυτά τα υποεπίπεδα με ένα μαγνητικό πεδίο που σε κάποιο σημείο είναι μηδέν και αυξάνεται καθώς τα άτομα κινούνται προς τα έξω. Με αυτόν τον τρόπο, δημιούργησε μια κατάσταση όπου ο αποτελεσματικός αποσυντονισμός της συχνότητας λέιζερ εξαρτιόταν από τη θέση των ατόμων. (Ο Phillips και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν παρόμοια διαμόρφωση για τη μαγνητική τους παγίδα, αλλά σε πολύ υψηλότερο πεδίο.) Τα άτομα μπορούσαν επομένως να απορροφήσουν από ένα συγκεκριμένο λέιζερ μόνο στη συγκεκριμένη θέση όπου ο συνδυασμός αποσυντονισμού, μετατόπισης Doppler και μετατόπισης Zeeman ήταν ακριβώς σωστός ( σχήμα 3).

Ο Dalibard ήλπιζε ότι ο περιορισμός της ικανότητας των ατόμων να απορροφούν φως με αυτόν τον τρόπο θα μπορούσε να μειώσει την ελάχιστη θερμοκρασία τους. Αφού υπολόγισε ότι δεν θα το έκανε, κατέθεσε την ιδέα μακριά. «Είδα ότι ήταν παγίδα, αλλά δεν έψαχνα για παγίδα, έψαχνα για ψύξη υπό Doppler», εξηγεί.

Μπορεί να ήταν εκεί που τελείωσε αν δεν ήταν Ντέιβ Πρίτσαρντ, ένας φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης που επισκέφτηκε την ομάδα του Παρισιού το 1986. Κατά τη διάρκεια της επίσκεψης, ο Pritchard έδωσε μια ομιλία σχετικά με ιδέες για την παραγωγή παγίδων μεγαλύτερου όγκου και ολοκλήρωσε λέγοντας ότι θα καλωσόριζε άλλες – καλύτερες – προτάσεις.

«Πήγα στον Ντέιβ και είπα «Λοιπόν, έχω μια ιδέα και δεν είμαι πολύ σίγουρος ότι είναι καλύτερη, αλλά είναι διαφορετική από τη δική σου», θυμάται ο Dalibard. Ο Pritchard μετέφερε την ιδέα του Dalibard πίσω στις ΗΠΑ και το 1987 μαζί με τον Chu κατασκεύασαν την πρώτη μαγνητοοπτική παγίδα (MOT) με βάση την ανάλυση του Dalibard. Στον Dalibard προσφέρθηκε η συν-συγγραφή της εργασίας που προέκυψε, αλλά ήταν χαρούμενος που απλώς αναγνωρίστηκε στις ευχαριστίες.

Είναι δύσκολο να υπερεκτιμηθεί πόσο επαναστατικό ήταν το MOT για την ανάπτυξη της ψύξης με λέιζερ. Είναι μια σχετικά απλή συσκευή, που απαιτεί μόνο μία συχνότητα λέιζερ και ένα σχετικά ασθενές μαγνητικό πεδίο για να δημιουργήσει ισχυρές παγίδες. Το καλύτερο από όλα, όμως, είναι η χωρητικότητά του. Η πρώτη αποκλειστικά οπτική παγίδα του Chu και του Ashkin κρατούσε εκατοντάδες άτομα, η πρώτη μαγνητική παγίδα του Phillips αρκετές χιλιάδες, αλλά η πρώτη μαγνητο-οπτική παγίδα κράτησε δέκα εκατομμύρια άτομα. Μαζί με την εισαγωγή φθηνών λέιζερ διόδων από τον Carl Wieman στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο (για το οποίο περισσότερα στο μέρος 3 αυτής της σειράς), η έλευση του MOT προκάλεσε μια ταχεία έκρηξη στον αριθμό των ομάδων που μελετούν την ψύξη λέιζερ παγκοσμίως. Ο ρυθμός της έρευνας επρόκειτο να επιταχυνθεί.

Ο νόμος του Μέρφι κάνει διακοπές

Ενώ ο Pritchard και ο Chu κατασκεύαζαν το πρώτο MOT, ο Phillips και οι συνάδελφοί του Gaithersburg αντιμετώπιζαν ένα εξαιρετικά ασυνήθιστο πρόβλημα με την οπτική τους μελάσα. Σε αντίθεση με κάθε προσδοκία της πειραματικής φυσικής, η μελάσα λειτούργησε πολύ καλά. Στην πραγματικότητα, θα μπορούσε να ψύχει άτομα ακόμη και με μερικές από τις δέσμες του μερικώς μπλοκαρισμένες.

Αυτή η ανακάλυψη έγινε εν μέρει επειδή η ψύξη με λέιζερ υποτίθεται ότι ήταν το δευτερεύον έργο του Phillips, έτσι το εργαστήριό του εγκαταστάθηκε σε μια αίθουσα προετοιμασίας συνδεδεμένη με ένα μηχανουργείο. Για να αποφευχθεί η συσσώρευση σκόνης και λίπους στο σύστημα κενού του εργαστηρίου, τα μέλη της ομάδας κάλυπταν τα παράθυρα του συστήματος με πλαστικό ή διηθητικό χαρτί τη νύχτα. «Περιστασιακά θα έπαιρνες αυτή τη μελάσα με πραγματικά παραμορφωμένη εμφάνιση», θυμάται Paul Lett, που εντάχθηκε στην ομάδα το 1986, «και τότε θα καταλάβατε ότι, ω, δεν βγάλαμε αυτό το κομμάτι φίλτρου. Ήταν αξιοσημείωτο ότι λειτούργησε καθόλου.»

Αυτή η εκπληκτική επιμονή οδήγησε τον Lett να πιέσει για μια πιο συστηματική μελέτη, συμπεριλαμβανομένης μιας νέας σειράς μετρήσεων θερμοκρασίας. Η μέθοδος «απελευθέρωσης και επανασύλληψης» που αναπτύχθηκε από την ομάδα Bell Labs είχε σχετικά μεγάλες αβεβαιότητες, έτσι η ομάδα του Phillips δοκίμασε μια νέα μέθοδο που περιελάμβανε την ανίχνευση του φωτός που εκπέμπεται καθώς τα άτομα διέσχιζαν μια δέσμη ανιχνευτή τοποθετημένη κοντά στη μελάσα. Όταν η μελάσα ήταν απενεργοποιημένη, τα άτομα θα πετούσαν μακριά. Ο χρόνος που χρειάστηκαν για να φτάσουν στον ανιχνευτή θα έδινε ένα άμεσο μέτρο της ταχύτητάς τους, και συνεπώς της θερμοκρασίας τους.

Όπως όλα τα πειράματα ψύξης με λέιζερ, το εργαστήριο του Phillips συσκεύασε πολλούς φακούς και καθρέφτες σε ένα μικροσκοπικό χώρο και το πιο βολικό μέρος για να τοποθετήσετε τον καθετήρα αποδείχθηκε ότι ήταν λίγο πάνω από την περιοχή της μελάσας. Αυτό θα έπρεπε να είχε λειτουργήσει καλά για τα άτομα που ταξιδεύουν με την οριακή ταχύτητα Doppler, αλλά όταν ο Lett δοκίμασε το πείραμα, κανένα άτομο δεν έφτασε στον ανιχνευτή. Τελικά, αυτός και οι συνάδελφοί του άλλαξαν τη θέση του καθετήρα κάτω από τη μελάσα, οπότε είδαν ένα όμορφο σήμα. Υπήρχε μόνο ένα πρόβλημα: το όριο ψύξης Doppler ήταν 240 microkelvin, αλλά αυτή η μέτρηση «χρόνου πτήσης» έδειξε θερμοκρασία 40 microkelvin.

Αυτό το αποτέλεσμα φαίνεται να παραβιάζει τον νόμο του Μέρφι, το ρητό ότι «ό,τι μπορεί να πάει στραβά, θα πάει», οπότε δεν ήταν διατεθειμένοι να το δεχτούν αμέσως. Ξαναμέτρησαν τη θερμοκρασία χρησιμοποιώντας πολλές διαφορετικές τεχνικές, συμπεριλαμβανομένης μιας βελτιωμένης απελευθέρωσης και επανασύλληψης, αλλά συνέχισαν να παίρνουν το ίδιο αποτέλεσμα: τα άτομα ήταν πολύ πιο κρύα από ό,τι η θεωρία έλεγε ότι ήταν δυνατό.

Στις αρχές του 1988 ο Phillips και η εταιρεία επικοινώνησαν με άλλες ομάδες στη στενή κοινότητα των ψύκτη λέιζερ, ζητώντας τους να ελέγξουν τις θερμοκρασίες στα δικά τους εργαστήρια. Οι Chu και Wieman επιβεβαίωσαν γρήγορα το εκπληκτικό αποτέλεσμα: η οπτική μελάσα όχι μόνο λειτούργησε για να ψύχει άτομα, αλλά λειτούργησε καλύτερα από ό,τι έλεγε η θεωρία.

Ανεβαίνοντας σε ένα λόφο

Η ομάδα του Παρισιού δεν είχε ακόμη πειραματικό πρόγραμμα, αλλά οι Dalibard και Cohen-Tannoudji επιτέθηκαν στο πρόβλημα θεωρητικά μέσω του ίδιου πραγματικού παράγοντα που χρησιμοποίησε ο Dalibard για την ανάπτυξη του MOT: πολλαπλές εσωτερικές ατομικές καταστάσεις. Η βασική κατάσταση του νατρίου έχει πέντε υποεπίπεδα με την ίδια ενέργεια και η κατανομή των ατόμων μεταξύ αυτών των καταστάσεων εξαρτάται από την ένταση και την πόλωση του φωτός. Αυτή η διαδικασία διανομής, που ονομάζεται «οπτική άντληση», ήταν κεντρική στη φασματοσκοπική έρευνα που λάμβανε χώρα στο ENS στο Παρίσι υπό τον Cohen-Tannoudji, έτσι η ομάδα του ήταν μοναδικά κατάλληλη για να εξερευνήσει πώς αυτές οι πρόσθετες καταστάσεις θα μπορούσαν να βελτιώσουν την ψύξη με λέιζερ.

Το βασικό χαρακτηριστικό αποδεικνύεται ότι είναι η πόλωση του φωτός λέιζερ, που στην κλασική φυσική αντιστοιχεί στον άξονα του ταλαντούμενου ηλεκτρικού πεδίου του φωτός. Ο συνδυασμός έξι αντίθετα πολλαπλασιαζόμενων δεσμών παράγει μια περίπλοκη κατανομή πόλωσης καθώς οι δέσμες συνδυάζονται με διαφορετικούς τρόπους σε διαφορετικά σημεία εντός της οπτικής μελάσας. Τα άτομα αντλούνται συνεχώς οπτικά σε διαφορετικές διαμορφώσεις, επεκτείνοντας τη διαδικασία ψύξης και επιτρέποντας χαμηλότερες θερμοκρασίες.

Μέχρι το καλοκαίρι του 1988 οι Dalibard και Cohen-Tannoudji είχαν επινοήσει ένα κομψό μοντέλο για να εξηγήσουν την ψύξη υπό Doppler. (Ο Chu έφτασε ανεξάρτητα σε ένα παρόμοιο αποτέλεσμα, το οποίο θυμάται ότι έβγαλε σε ένα τρένο μεταξύ δύο διασκέψεων στην Ευρώπη.) Θεώρησαν ένα απλοποιημένο άτομο με μόνο δύο υποεπίπεδα θεμελιωδών καταστάσεων, που παραδοσιακά ονομάζονται –½ και +½, που φωτίζονται από δύο ακτίνες λέιζερ που διαδίδονται σε αντίθετες κατευθύνσεις με αντίθετες γραμμικές πολώσεις. Αυτό δημιουργεί ένα μοτίβο που εναλλάσσεται μεταξύ δύο καταστάσεων πόλωσης, με την ένδειξη σ^- και σ⁺.

Ένα άτομο σε περιοχή σ^- Η πόλωση θα αντληθεί οπτικά στην κατάσταση –½, η οποία βιώνει μια μεγάλη μετατόπιση φωτός που μειώνει την εσωτερική του ενέργεια. Καθώς το άτομο κινείται προς το σ⁺ περιοχή πόλωσης, η μετατόπιση του φωτός μειώνεται και το άτομο πρέπει να επιβραδύνει για να αντισταθμίσει, χάνοντας κινητική ενέργεια για να αντισταθμίσει την αύξηση της εσωτερικής ενέργειας, όπως μια μπάλα που κυλάει πάνω σε ένα λόφο. Όταν φτάσει στο σ⁺ Η ελαφριά, οπτική άντληση θα το κάνει να μεταβεί στην κατάσταση +½, η οποία έχει μεγάλη μετατόπιση φωτός. Το άτομο δεν παίρνει πίσω την ενέργεια που έχασε ανεβαίνοντας στον «λόφο» από το σ^- περιοχή, όμως, έτσι κινείται πιο αργά καθώς η διαδικασία ξεκινά από την αρχή: η μετατόπιση του φωτός μειώνεται καθώς κινείται προς το επόμενο σ^- περιοχή, έτσι χάνει ενέργεια, στη συνέχεια αντλεί οπτικά στο –½ και ούτω καθεξής.

Αυτή η διαδικασία απώλειας ενέργειας με τη συνεχή αναρρίχηση σε «λόφους» έδωσε ένα ζωντανό όνομα: οι Dalibard και Cohen-Tannoudji το ονόμασαν Sisyphus cooling, από το όνομα του βασιλιά στον ελληνικό μύθο που καταδικάστηκε να περάσει την αιωνιότητα σπρώχνοντας έναν ογκόλιθο σε έναν λόφο μόνο για να γλιστρήσει ο βράχος. μακριά και επιστρέψτε στο κάτω μέρος (εικόνα 4). Τα άτομα στην οπτική μελάσα βρίσκονται σε παρόμοια κατάσταση, σκαρφαλώνοντας πάντα σε λόφους και χάνοντας ενέργεια μόνο για να έχουν οπτική άντληση που τα επιστρέφει στον πυθμένα και τα αναγκάζει να ξεκινήσουν ξανά από την αρχή.

Οι ανταμοιβές του Σίσυφου

Η θεωρία πίσω από την ψύξη του Σίσυφου κάνει συγκεκριμένες προβλέψεις σχετικά με τις ελάχιστες θερμοκρασίες και πώς αυτές εξαρτώνται από τον αποσυντονισμό του λέιζερ και το μαγνητικό πεδίο. Αυτές οι προβλέψεις επιβεβαιώθηκαν γρήγορα σε εργαστήρια σε όλο τον κόσμο. Το φθινόπωρο του 1989 το Εφημερίδα της Οπτικής Εταιρείας της Αμερικής Β δημοσίευσε ένα ειδικό τεύχος για την ψύξη με λέιζερ που περιείχε πειραματικά αποτελέσματα από την ομάδα του Phillips στο Gaithersburg, τη θεωρία του Σίσυφου από το Παρίσι και μια συνδυασμένη πειραματική και θεωρητική εργασία από την ομάδα του Chu, η οποία είχε μεταφερθεί τότε από τα Bell Labs στο Πανεπιστήμιο Stanford στην Καλιφόρνια. Για το μεγαλύτερο μέρος της επόμενης δεκαετίας, αυτό το ειδικό τεύχος θεωρούνταν ως η οριστική πηγή για τους μαθητές που αναζητούσαν να κατανοήσουν την ψύξη με λέιζερ και οι Cohen-Tannoudji και Chu συνέχισαν να μοιράζονται το 1997 Βραβείο Νόμπελ Φυσικής με τον Φίλιπς.

Έχοντας φτάσει στα όριά του, το φαινόμενο του Σίσυφου μπορεί να ψύχει τα άτομα σε σημείο που δεν έχουν πλέον αρκετή ενέργεια για να σκαρφαλώσουν ούτε σε έναν μόνο «λόφο» και αντ' αυτού περιορίζονται σε μια μικροσκοπική περιοχή μιας και μόνο πόλωσης. Αυτός ο περιορισμός είναι τόσο σφιχτός όσο και για τα παγιδευμένα ιόντα, καθιστώντας τους δύο κλάδους ψύξης λέιζερ όμορφα συμμετρικούς. Στις αρχές της δεκαετίας του 1990 τα παγιδευμένα ιόντα και τα ουδέτερα άτομα μπορούσαν και τα δύο να ψύχονται σε ένα καθεστώς όπου η κβαντική φύση τους γίνεται εμφανής: ένα μόνο ιόν σε μια παγίδα ή ένα άτομο σε ένα «πηγάδι» που δημιουργήθηκε στην ψύξη του Σίσυφου, μπορεί να υπάρχει μόνο σε συγκεκριμένη διακριτή ενέργεια πολιτείες. Αυτές οι διακριτές καταστάσεις μετρήθηκαν σύντομα και για τα δύο συστήματα. Σήμερα, αποτελούν ουσιαστικό μέρος του κβαντικού υπολογισμού με άτομα και ιόντα.

Μια περαιτέρω ενδιαφέρουσα λεωφόρος έρευνας αφορούσε τα ίδια τα πηγάδια. Αυτά σχηματίζονται όταν παρεμβάλλονται δέσμες φωτός και εμφανίζονται φυσικά σε μεγάλες συστοιχίες με απόσταση ίση με το ήμισυ του μήκους κύματος λέιζερ. Η περιοδική φύση αυτών των λεγόμενων οπτικών δικτύων μιμείται τη μικροσκοπική δομή της στερεάς ύλης, με τα άτομα να παίζουν το ρόλο των ηλεκτρονίων σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Αυτή η ομοιότητα κάνει τα παγιδευμένα άτομα μια χρήσιμη πλατφόρμα για την εξερεύνηση φαινομένων φυσικής συμπυκνωμένης ύλης όπως η υπεραγωγιμότητα.

Για να εξερευνήσετε πραγματικά την υπεραγωγιμότητα με ψυχρά άτομα, όμως, το πλέγμα πρέπει να φορτωθεί με άτομα υψηλότερης πυκνότητας και ακόμη χαμηλότερης θερμοκρασίας από ό,τι μπορεί να επιτευχθεί με την ψύξη του Σίσυφου. Όπως θα δούμε στο μέρος 3, το να φτάσουμε εκεί θα απαιτούσε ακόμη ένα νέο σύνολο εργαλείων και τεχνικών και θα άνοιγε τη δυνατότητα δημιουργίας όχι μόνο αναλόγων γνωστών συστημάτων, αλλά εντελώς νέων καταστάσεων ύλης.

• Μέρος 3 της ιστορίας της ψύξης με λέιζερ από Τσαντ Όρζελ θα δημοσιευθεί σύντομα Κόσμος Φυσικής

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Αυτοκίνητο / EVs, Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• ChartPrime. Ανεβάστε το Trading Game σας με το ChartPrime. Πρόσβαση εδώ.
• BlockOffsets. Εκσυγχρονισμός της περιβαλλοντικής αντιστάθμισης ιδιοκτησίας. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/colder-how-physicists-beat-the-theoretical-limit-for-laser-cooling-and-laid-the-foundations-for-a-quantum-revolution/