Colder: kuidas füüsikud ületasid laserjahutuse teoreetilise piiri ja panid aluse kvantrevolutsioonile – Physics World

1960. aastate lõpus hakkas väike teadlaste kogukond kasutama valgusjõude väikeste objektide ümber lükkamiseks. Järgmise kümnendi jooksul laienes valdkond, hõlmates laserjahutust, võimsat tehnikat, mis kasutab ära Doppleri nihe tekitada jõudu, mis suudab objekte ainult aeglustada ja mitte kunagi kiirendada. Aastate möödudes arenesid need uued laserjahutuskatsed kahel paralleelsel rajal – ioonid ja aatomid –, mida uuriti aastal. Selle seeria 1. osa: "Külm: kuidas füüsikud õppisid osakesi laserjahutusega manipuleerima ja liigutama".

Ioonidel oli paljuski varane eelis. Elektrilaengu tõttu kogevad nad elektromagnetilisi jõude, mis on piisavalt tugevad, et neid kõrgel temperatuuril elektromagnetlõksudesse püüda ja ultraviolettlainepikkustel laseritega jahutada. 1981. aastaks olid ioonipüüdjad seda tehnikat viimistlenud nii kaugele, et nad suutsid üksikuid ioone kinni püüda ja tuvastada ning nendega spektroskoopiat teha enneolematu täpsusega.

Aatomid tuleb seevastu aeglustada, enne kui valgus- ja magnetvälja nõrgemad jõud võivad neid kinni püüda. Siiski, 1985. aastaks Bill Phillips ja kolleegid USA riiklik standardibüroo oli Gaithersburgis Marylandis kasutanud valgust, et aeglustada naatriumi aatomite kiirt peaaegu peatada, seejärel piiranud need magnetlõksus. Peale selle näis potentsiaalsete aatomitaltsutajate peamiseks väljakutseks selle töö edasiarendamine, et muuta neutraalsete aatomite püüdmine tõhusamaks, ja jahutusprotsessi enda piiride nihutamine.

Mõlemad projektid õnnestuksid üle ootuste. Ja nagu nägime 1. osas, ulatuvad selle edu juured tagasi Arthur Aškin at Kellalaborid.

Hea idee, ebapiisav teostus

Kui me viimati Ashkiniga kohtusime, oli see 1970. aastal ja ta oli just välja töötanud "optilise näpistamise" tehnika, mis võitis talle Nobeli preemia peaaegu 50 aastat hiljem. 1970. aastate lõpuks töötas ta koos oma kolleegidega Bell Labsi katsetest, mis hõlmasid aatomikiirt. “Rick Freeman tal oli aatomikiirte masin ja mul olid mõned katsed, mida oleks huvitav aatomikiirega teha, aga ma ei olnud aatomikiirmasina ehitamisest väga vaimustuses,” meenutab Aškini toonane kolleeg John Bjorkholm.

Laserkiire kattumisega aatomikiirega näitasid Ashkin ja Bjorkholm, et valguse sagedust reguleerides on võimalik aatomeid fokuseerida või defokuseerida. Punasele häälestatud laseriga – veidi madalamal sagedusel, kui aatomid “tahavad” neelata – alandaks aatomite ja valguse vaheline interaktsioon aatomite siseenergiat (“valguse nihe”), tõmmates aatomeid laserkiiresse. Kui laser oli siniseks häälestatud, lükati aatomid välja.

Ashkinil oli mitu ideed selle nähtuse muutmiseks "täisoptiliseks" meetodiks aatomite püüdmiseks (st ilma Phillipsi rühma kasutatud magnetväljadeta). Kahjuks nägid Ashkin ja Bjorkholm vaeva selle rakendamisega, sest Freemani aatomitala ehitati pleksiklaasist akendega, mis ei suutnud taluda piisavalt madalat rõhku. Väljastpoolt sisse lekkinud aatomeid ja molekule jahutuslaserid ei mõjutanud ning selle tulemusel lõid need kiires aatomitega kokku põrkudes sihtmärgi aatomid lõksust välja. Pärast mõneaastast pettumust valmistanud tulemust hakkas Bell Labsi juhtkond katseid tegema ja sundis Ashkinit muude asjadega tegelema.

Ujujad viskoosses vedelikus

Umbes sel ajal kolis Bell Labsi Holmdeli rajatises Ashkini lähedal asuvasse kontorisse (ennast kirjeldas) noor teadlane, kes oli "mees, kes suudab teha raskeid katseid". Tema nimi oli Steve Chu, ja ta hakkas Aškini ideede vastu huvi tundma. Üheskoos ehitasid nad ülikõrge vaakumsüsteemi, mis sobib aatomite jahutamiseks ja püüdmiseks, ning süsteemi naatriumi aatomite aeglustamiseks, pühkides kiiresti lasersagedust, et kompenseerida muutuvat Doppleri nihet. Viimast tehnikat tuntakse kui "chirp-jahutust"; õnneliku juhuse tõttu olid Holmdelis ka teadlased, kes töötasid välja selle ühe võtmetehnoloogia.

Siinkohal soovitas Chu neil aatomeid eeljahutada, valgustades neid kolme risti asetseva paari vastupidiselt levivate laserkiirtega, mis kõik on häälestatud sagedusele, mis on veidi allpool aatomite üleminekusagedust, nagu kirjeldatud 1. osas. See konfiguratsioon annab jahutusjõu. kõigis kolmes dimensioonis üheaegselt: üles liikuv aatom näeb allapoole liikuvat laserkiirt Doppleri nihutatuna üles, neelab footoneid ja aeglustab; vasakule liikuv aatom näeb fotoneid paremale suunatud kiires üles nihutatuna jne. Olenemata sellest, millises suunas aatomid liiguvad, tunnevad nad nende liikumisele vastandlikku jõudu. Sarnasus viskoosses vedelikus ujuja raske olukorraga pani Chu nimetama seda "optiliseks melassiks" (joonis 1).

Bell Labsi meeskond demonstreeris 1985. aastal optilist melassi, kogudes tuhandeid aatomeid piiksuga jahutatud kiirest. Nagu nimele kohane, oli optiline melass väga "kleepuv", hoides aatomeid kattuvates kiirtes umbes kümnendiku sekundit (aatomifüüsikas praktiliselt igavik), enne kui nad välja rändasid. Melassi piirkonnas neelavad ja kiirgavad aatomid pidevalt jahutuslaserite valgust, nii et need paistavad hajusalt hõõguva pilvena. Valguse koguhulk võimaldas aatomite arvu hõlpsalt mõõta.

Ashkin, Chu ja nende kaastöötajad suutsid hinnata ka aatomite temperatuuri. Nad tegid seda nii, et mõõtsid, mitu aatomit melassis oli, lülitasid valguse lühikeseks ajaks välja, seejärel lülitasid selle uuesti sisse ja mõõtsid arvu uuesti. Pimeda intervalli ajal aatomipilv laienes ja mõned aatomid pääsevad melassikiirte piirkonnast. See põgenemiskiirus võimaldas meeskonnal arvutada aatomite temperatuuri: umbes 240 mikrokelvinit – täpselt kooskõlas laseriga jahutatud naatriumiaatomite eeldatava miinimumiga.

Melassi muutmine lõksuks

Vaatamata kleepuvusele ei ole optiline melass lõks. Kuigi see aeglustab aatomite liikumist, võivad aatomid pärast laserkiirte servani triivida pääseda. Lõks seevastu annab jõu, mis sõltub asukohast, surudes aatomid tagasi keskossa.

Lihtsaim viis püünise loomiseks on tihedalt fokuseeritud laserkiir, mis sarnaneb mikroskoopiliste objektide püüdmiseks välja töötatud optiliste pintsettidega Ashkin. Kui laserfookuse maht moodustab melassi mahust tillukese osa, mõistsid Ashkin, Bjorkholm ja (sõltumatult) Chu, et sellisesse lõksu võib melassis juhusliku difusiooni kaudu siiski koguneda märkimisväärne hulk aatomeid. Kui nad lisasid oma melassile eraldi püüdva laserkiire, olid tulemused paljulubavad: hajusas melassipilves tekkis väike hele laik, mis esindas mitusada lõksu jäänud aatomit.

Sellest kaugemale jõudmine tõi aga kaasa tehnilisi väljakutseid. Probleem on selles, et aatomienergia taseme nihe, mis muudab ühekiire optilise lõksu võimalikuks, takistab jahutusprotsessi: kui püüdlasaser alandab aatomi põhioleku energiat, muudab see jahutuslaseri efektiivset sagedust. Teise laseri kasutamine ning jahutamise ja püüdmise vaheldumine suurendab lõksu jäävate aatomite arvu, kuid see toob kaasa täiendava keerukuse. Edasiste edusammude saavutamiseks vajaksid füüsikud kas külmemaid aatomeid või paremat lõksu.

Prantsuse ühendus

Mõlemad olid silmapiiril. Claude Cohen-Tannoudji ja tema rühm École Normale Supérieure'is (ENS) Pariisis tegelesid peamiselt laserjahutusega teoreetilisest küljest. Jean Dalibard, siis äsja vermitud doktorikraadiga grupis, mäletab Ashkini teoreetiliste analüüside uurimist ja Jim Gordon ("fantastiline paber") ja nõukogude duo VLadilen Letokhov ja Vladimir Minogin, kes (koos Boriss D Pavlikuga) oli tuletanud laserjahutusega saavutatava minimaalse temperatuuri juba 1977. aastal.

Nagu nägime 1. osas, nimetatakse seda minimaalset temperatuuri Doppleri jahutuspiiriks ja see tuleneb juhuslikest "löökidest", mis tekivad siis, kui aatomid kiirgavad uuesti footoneid pärast valguse neelamist ühest jahutuskiirest. Teades, kui kindel see "piir" tegelikult oli, otsis Dalibard viise, kuidas hoida aatomeid võimalikult palju "pimedas". Selleks kasutas ta reaalsete aatomite omadust, mida standardne Doppleri jahutusteooria ei taba: reaalsed aatomiolekud ei ole üksikud energiatasemed, vaid sama energia, kuid erineva nurkmomendiga alamtasandite kogumid (joonis 2).

Need erinevad alamtasandid ehk impulsiseisundid muudavad energiat magnetvälja juuresolekul (Zeemani efekt). Välja tugevnedes mõned olekud energiat suurendavad, teised aga vähenevad. Need rollid pööratakse siis ümber, kui välja suund muutub vastupidiseks. Veel üks komplitseeriv tegur on see, et laservalguse polarisatsioon määrab, millised alamtasandid neelavad footoneid. Kui üks polarisatsioon liigutab aatomeid olekute vahel viisil, mis suurendab nurkimmenti, siis teine ​​vähendab seda.

Oma teoreetilises analüüsis ühendas Dalibard need alamtasandid magnetväljaga, mis on mingil hetkel null ja suureneb, kui aatomid liiguvad väljapoole. Seejuures lõi ta olukorra, kus efektiivne lasersageduse detuning sõltus aatomite asukohast. (Phillips ja tema kolleegid kasutasid oma magnetlõksu jaoks sarnast konfiguratsiooni, kuid palju kõrgemal väljal.) Seetõttu suutsid aatomid neelata konkreetsest laserist ainult konkreetses asendis, kus detuning, Doppleri nihe ja Zeemani nihe oli täpselt õige ( joonis 3).

Dalibard lootis, et aatomite valguse neelamise võime piiramine võib alandada nende minimaalset temperatuuri. Pärast seda, kui ta oli arvutanud, et see pole nii, jättis ta idee minema. "Ma nägin, et see on lõks, kuid ma ei otsinud lõksu, vaid sub-Doppleri jahutust," selgitab ta.

Seal oleks see võib-olla lõppenud, kui seda poleks olnud Dave Pritchard, Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi füüsik, kes külastas Pariisi gruppi 1986. aastal. Visiidi ajal pidas Pritchard ettekande ideedest suuremamahuliste püüniste tootmiseks ja ütles lõpetuseks, et on teretulnud ka teiste – paremate – ettepanekute vastu.

"Ma läksin Dave'i juurde ja ütlesin: "Noh, mul on idee ja ma pole kindel, et see on parem, kuid see erineb teie omast," meenutab Dalibard. Pritchard viis Dalibardi idee tagasi USA-sse ja 1987. aastal ehitas ta koos Chuga Dalibardi analüüsi põhjal esimese magneto-optilise lõksu (MOT). Dalibardile pakuti selle tulemusel valminud paberi kaasautoriks, kuid ta oli õnnelik, et sai tunnustustes lihtsalt tunnustuse.

Raske on üle hinnata, kui revolutsiooniline oli MOT laserjahutuse arendamisel. See on suhteliselt lihtne seade, mis nõuab ainult ühte laseri sagedust ja suhteliselt nõrka magnetvälja, et tekitada tugevaid püüniseid. Kõige parem on aga selle suutlikkus. Chu ja Ashkini esimene täisoptiline lõks sisaldas sadu aatomeid, Phillipsi esimene magnetlõks mitu tuhat, kuid esimene magneto-optiline lõks mahutas kümme miljonit aatomit. Koos odavate dioodlaserite kasutuselevõtuga Carl Wiemani poolt Colorado ülikoolis (millest lähemalt selle seeria 3. osas) vallandas MOT tulek kogu maailmas laserjahutust uurivate rühmade arvu kiire plahvatusliku kasvu. Uurimistöö tempo hakkas kiirenema.

Murphy seadus võtab puhkuse

Sel ajal, kui Pritchard ja Chu ehitasid esimest MOT-i, puutusid Phillips ja tema Gaithersburgi kolleegid kokku äärmiselt ebatavalise probleemiga oma optilise melassiga. Vastupidiselt kõigile eksperimentaalfüüsika ootustele töötas melass liiga hästi. Tegelikult võib see aatomeid jahutada isegi siis, kui osa kiirtest on osaliselt blokeeritud.

See avastus tuli osaliselt seetõttu, et laserjahutus pidi olema Phillipsi kõrvalprojekt, mistõttu tema labor loodi masinatöökojaga ühendatud ettevalmistusruumi. Et vältida kaupluse tolmu ja rasva kogunemist labori vaakumsüsteemile, kataksid rühma liikmed öösel süsteemi aknad plastiku või filterpaberiga. "Aeg-ajalt saate seda tõeliselt moonutatud melassi," meenutab Paul Lett, kes liitus grupiga 1986. aastal, “ja siis saaksite aru, et oh, me ei võtnud seda filterpaberit välja. See oli tähelepanuväärne, et see üldse töötas.

See üllatav järjekindlus pani Letti nõudma süstemaatilisemat uuringut, sealhulgas uut temperatuurimõõtmiste komplekti. Bell Labsi grupi väljatöötatud "vabastamise ja tagasipüüdmise" meetodil oli suhteliselt suur määramatus, nii et Phillipsi rühm proovis uut meetodit, mis hõlmas valguse tuvastamist, kui aatomid ületasid melassi lähedusse paigutatud sondikiire. Kui melass välja lülitati, lendasid aatomid minema. Aeg, mis neil kulus sondini jõudmiseks, annaks nende kiiruse ja seega ka temperatuuri otsese mõõtmise.

Nagu kõik laserjahutuskatsed, pakkis Phillipsi labor tillukesse ruumi palju läätsi ja peegleid ning sondi paigutamiseks osutus kõige mugavamaks kohaks veidi melassipiirkonnast kõrgemal. See oleks pidanud Doppleri piirkiirusel liikuvate aatomite puhul hästi toimima, kuid kui Lett katset proovis, ei jõudnud ükski aatom sondini. Lõpuks nihutas ta ja ta kolleegid sondi asendit melassi alla, misjärel nägid nad ilusat signaali. Oli ainult üks probleem: Doppleri jahutuspiir oli 240 mikrokelvinit, kuid see "lennuaja" mõõtmine näitas temperatuuri 40 mikrokelvinit.

See tulemus näib rikkuvat Murphy seadust, ütlust, et "kõik, mis võib valesti minna, läheb", nii et nad ei olnud nõus seda kohe aktsepteerima. Nad mõõtsid temperatuuri uuesti, kasutades mitut erinevat tehnikat, sealhulgas täiustatud vabastamise ja tagasipüüdmise meetodit, kuid nad said sama tulemuse: aatomid olid palju külmemad, kui teooria kohaselt oli võimalik.

1988. aasta alguses võtsid Phillips ja ettevõte ühendust teiste rühmadega laserjahutite tihedas kogukonnas, paludes neil kontrollida temperatuure oma laborites. Chu ja Wieman kinnitasid kiiresti üllatavat tulemust: optiline melass mitte ainult ei jahutanud aatomeid, vaid töötas paremini kui teooria väitis.

Mäest üles ronimine

Pariisi rühmal ei olnud veel eksperimentaalset programmi, kuid Dalibard ja Cohen-Tannoudji ründasid probleemi teoreetiliselt sama reaalse maailma teguri kaudu, mida Dalibard kasutas MOT väljatöötamisel: mitu sisemist aatomiolekut. Naatriumi põhiolekul on viis sama energiaga alamtaset ja aatomite jaotus nende olekute vahel sõltub valguse intensiivsusest ja polarisatsioonist. See jaotusprotsess, mida nimetatakse "optiliseks pumpamiseks", oli Cohen-Tannoudji juhtimisel Pariisis ENS-is toimunud spektroskoopilistes uuringutes kesksel kohal, nii et tema rühm sobis ainulaadselt hästi uurimaks, kuidas need lisaolekud saaksid laserjahutust parandada.

Võtmetunnuseks osutub laservalguse polarisatsioon, mis klassikalises füüsikas vastab valguse võnkuva elektrivälja teljele. Kuue vastupidiselt leviva kiire kombinatsioon tekitab polarisatsioonide keerulise jaotuse, kuna talad kombineeritakse optilise melassi erinevates kohtades erineval viisil. Aatomeid pumbatakse pidevalt optiliselt erinevatesse konfiguratsioonidesse, pikendades jahutusprotsessi ja võimaldades madalamaid temperatuure.

1988. aasta suveks olid Dalibard ja Cohen-Tannoudji välja töötanud elegantse mudeli, et selgitada sub-Doppleri jahutust. (Chu jõudis iseseisvalt sarnase tulemuseni, mida ta meenutab tuletamist rongis kahe Euroopa konverentsi vahel.) Nad pidasid lihtsustatud aatomit, millel on ainult kaks põhioleku alamtasandit, traditsiooniliselt märgistatud –½ ja +½, mida valgustavad kaks territooriumil levivat laserkiirt. vastassuunalised vastassuunalised lineaarsed polarisatsioonid. See loob mustri, mis vaheldub kahe polarisatsiooni oleku vahel, märgistusega σ^- ja σ⁺.

Aatom piirkonnas σ^- polarisatsioon pumbatakse optiliselt –½ olekusse, mis kogeb suurt valguse nihet, mis vähendab selle sisemist energiat. Kui aatom liigub σ poole⁺ polarisatsioonipiirkonnas väheneb valguse nihe ja aatom peab kompenseerimiseks aeglustuma, kaotades kineetilise energia, et kompenseerida siseenergia suurenemist, nagu pall, mis veereb mäest üles. Kui see jõuab σ⁺ valgus, optiline pumpamine paneb selle lülituma +½ olekusse, millel on suur valguse nihe. Aatom ei saa tagasi energiat, mille ta kaotas σ-st mäkke ronides^- piirkonnas, nii et see liigub protsessi algusest peale aeglasemalt: valguse nihe väheneb, kui see liigub järgmise σ suunas.^- piirkonnas, nii et see kaotab energiat, pumbatakse seejärel optiliselt väärtuseni –½ jne.

See energia kaotamise protsess pidevalt mäkke ronimisel andis elava nime: Dalibard ja Cohen-Tannoudji nimetasid selle Sisyphosiks jahtumiseks, kui kreeka müüdis oli kuningas, kes oli määratud kulutama igavikku rändrahnu mäest üles lükkamisele, et kalju libiseda. eemale ja tagasi põhja (joonis 4). Optilise melassi aatomid satuvad sarnasesse olukorda, ronivad alati mäkke ja kaotavad energiat ainult siis, kui optiline pumpamine viib need põhja ja sunnib neid uuesti alustama.

Sisyphose autasud

Sisyphuse jahutamise teooria teeb konkreetseid ennustusi minimaalsete temperatuuride kohta ja selle kohta, kuidas need sõltuvad laseri häälestusest ja magnetväljast. Need ennustused said kiiresti kinnitust laborites üle kogu maailma. Sügisel 1989 Ameerika Optikaühingu ajakiri B avaldas laserjahutuse kohta erinumbri mis sisaldab katsetulemusi Phillipsi rühmalt Gaithersburgis, Sisyphuse teooriat Pariisist ning kombineeritud eksperimentaalset ja teoreetilise paberi Chu rühmalt, mis oli selleks ajaks kolinud Bell Labsist Californias Stanfordi ülikooli. Suurema osa järgmisest kümnendist peeti seda erinumbrit lõplikuks allikaks õpilastele, kes soovivad mõista laserjahutust, ning Cohen-Tannoudji ja Chu jagasid edasi 1997. aasta Nobeli füüsikaauhind koos Phillipsiga.

Piiratuna võib Sisyphuse efekt jahutada aatomeid nii kaugele, et neil ei ole enam piisavalt energiat, et ronida isegi ühele "mäele", ja on selle asemel piiratud ühe polarisatsiooni väikese piirkonnaga. See piirang on sama tihe kui kinni jäänud ioonide jaoks, muutes laserjahutuse kaks haru kenasti sümmeetriliseks. 1990. aastate alguseks suudeti nii lõksus olevad ioonid kui ka neutraalsed aatomid jahutada režiimile, kus nende kvantloomused ilmnevad: üks ioon lõksus või aatom Sisyphose jahutamisel tekkinud „kaevus” saab eksisteerida ainult teatud diskreetse energiaga. osariigid. Neid diskreetseid olekuid mõõdeti peagi mõlema süsteemi jaoks; tänapäeval on need aatomite ja ioonidega kvantarvutamise oluline osa.

Veel üks intrigeeriv uurimissuund puudutas kaevu ennast. Need tekivad siis, kui valguskiired häirivad ja esinevad loomulikult suurtes massiivides, mille vahekaugus on pool laseri lainepikkusest. Nende nn optiliste võre perioodilisus jäljendab tahke aine mikroskoopilist struktuuri, kusjuures aatomid mängivad kristallvõres elektronide rolli. See sarnasus muudab lõksus olevad aatomid kasulikuks platvormiks kondenseerunud aine füüsika nähtuste, nagu ülijuhtivus, uurimiseks.

Külmade aatomitega ülijuhtivuse uurimiseks peab võre olema täidetud suurema tiheduse ja isegi madalama temperatuuriga aatomitega, kui seda on võimalik saavutada Sisyphuse jahutamisega. Nagu näeme 3. osas, nõuaks sinna jõudmine veel üht uut tööriistade ja tehnikate komplekti ning avaks võimaluse luua mitte ainult tuntud süsteemide analooge, vaid ka täiesti uusi aine olekuid.

• 3. osa laserjahutuse ajaloost Chad Orzel avaldatakse peagi Füüsika maailm

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Autod/elektrisõidukid, Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• ChartPrime. Tõsta oma kauplemismängu ChartPrime'iga kõrgemale. Juurdepääs siia.
• BlockOffsets. Keskkonnakompensatsiooni omandi ajakohastamine. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/colder-how-physicists-beat-the-theoretical-limit-for-laser-cooling-and-laid-the-foundations-for-a-quantum-revolution/