Kylmin: kuinka kirje Einsteinille ja laserjäähdytystekniikan kehitys johtivat fyysikot uusiin aineen kvanttitiloihin – Physics World

20-luvun kahden viimeisen vuosikymmenen aikana atomifyysikot rikkoivat toistuvasti maailmankaikkeuden kylmimmän lämpötilan ennätyksen. Nämä saavutukset perustuivat kouralliseen edistykseen, mukaan lukien laserjäähdytys (kuten kuvataan kohdassa osa 1 tämän historian), magneto-optinen ansa ja tekniikat, kuten Sisyphus-jäähdytys, jotka toimivat odotettua paremmin (kuten kuvataan osa 2). Vuoteen 1990 mennessä fyysikot jäähdyttivät rutiininomaisesti kymmeniä miljoonia atomeja muutaman kymmenen mikrokelvinin absoluuttisen nollan yläpuolelle – tuhat kertaa kylmempään kuin perinteinen kryogeniikka ja murto-osa "Doppler-jäähdytysrajasta", joka on ennustettu laserjäähdyttäville yksinkertaisille atomeille.

Niin dramaattinen kuin tämä syöksy olikin, vielä haastavampi lämpötilan lasku kutsui: lisäkertoimen 1000 mikrokelvinistä nanokelviniin. Tämä lisäpudotus toisi käyttöön uuden fysiikan alueen, joka tunnetaan nimellä kvanttidegeneraatio. Täällä alhaiset lämpötilat ja korkeat tiheydet pakottavat atomit toiseen kahdesta eksoottisesta aineen tilasta: joko a Bose-Einstein-kondensaatti (BEC), jossa kaikki kaasun atomit sulautuvat samaan kvanttitilaan tai degeneroituneeseen Fermi-kaasuun (DFG), jossa kaasun kokonaisenergia lakkaa laskemasta, koska kaikki käytettävissä olevat energiatilat ovat täynnä (kuva 1).

BEC:t ja DFG:t ovat puhtaasti kvanttiilmiöitä, ja atomin kokonaisspin määrää, kumpi niistä muodostuu. Jos atomissa on parillinen määrä elektroneja, protoneja ja neutroneja, se on bosoni ja voi läpikäydä BEC:n. Jos kokonaissumma on pariton, se on fermion ja voi tehdä DFG:n. Saman alkuaineen eri isotoopit käyttäytyvät toisinaan vastakkaisilla tavoilla – fyysikot ovat tehneet litium-7:n BEC:itä ja DFG:itä litium-6:n kanssa – ja tämä ero alhaisen lämpötilan käyttäytymisessä on yksi dramaattisimmista todisteista kvanttihiukkasten perustavanlaatuisesta jakautumisesta.

Kuten aiempien tässä sarjassa kuvattujen läpimurtojen yhteydessä, sukellus kvanttirappeutumiseen tapahtui uusien teknologioiden ansiosta, jotka esiteltiin eri puolilla maailmaa olevissa tutkimuslaboratorioissa. Ja – kuten aikaisemmissakin edistysaskeleissa – yksi näistä teknologioista saapui täysin sattumalta.

Laserjäähdytys halvalla

1980-puolivälissä Carl Wieman opiskeli cesiumatomien pariteettirikkomusta Coloradon yliopistossa Boulderissa Yhdysvalloissa. Nämä tutkimukset vaativat aikaa vieviä ja vaativia spektroskopiamittauksia, ja Wiemanin tohtoriopiskelija Rikkaat Wattit kehitti tavan tehdä ne käyttämällä diodilasereita, kuten niitä, joita miljoonat valmistavat CD-soittimiin.

Vietettyään vuosia pohtiessaan, kuinka stabiloida ja hallita näitä halpoja puolijohdelaitteita, Watts (aivan kohtuullisesti) halusi suorittaa tohtorintutkinnon, joten hän ja Wieman etsivät lyhyemmän aikavälin kokeilua niiden testaamiseksi. Vastaus, johon he osuivat, oli laserjäähdytys. "Tämän opiskelijan opinnäytetyön loppuun saattaminen oli hauska pieni sivujuttu", Wieman muistelee, "ja näin pääsin [laserjäähdytykseen]."

Vuonna 1986 Watts and Wiemanista tuli ensin laserjäähdyttää cesiumatomisäteen. Watts oli myös ensimmäinen, joka laserjäähdytti rubidiumia postdocina Hal Metcalf Stony Brookin yliopistossa New Yorkissa, ja hän osallistui alkukokeisiin, jotka paljastivat sub-Doppler-jäähdytyksen Bill Phillipslaboratoriossa Yhdysvaltain kansallisessa standardi- ja teknologiainstituutissa (NIST) Gaithersburgissa, Marylandissa. Kuitenkin, kuten toinen avainpelaaja, jonka tapaamme tässä historiassa, Watts poistui lavalta liian aikaisin ja kuoli vain 39-vuotiaana vuonna 1996.

Sillä välin Wieman tarvitsi uuden tieteellisen kohteen, jotain, joka voidaan tehdä vain kylmillä atomeilla. Hän yhdessä uusien kollegoiden ja kilpailijoiden kanssa löysi sen hyvin vanhasta ideasta, jolla oli moitteeton tieteellinen sukutaulu: Bose–Einstein-tiivistys.

Kilpailu pohjaan

in 1924 Satyendra Nath Bose oli fyysikko Dhakan yliopisto nykyisessä Bangladeshissa. Opettaessaan uutta ja nopeasti kehittyvää kvanttifysiikan alaa hän tajusi, että Max Planckin kaava kuuman kohteen valon spektrille voitiin johtaa fotonien käyttäytymistä säätelevistä tilastosäännöistä, jotka ovat paljon todennäköisemmin kuin klassiset hiukkaset. löytyy samoista valtioista.

Bosella oli vaikeuksia saada teoksiaan julkaistavaksi, joten hän lähetti kopion Albert Einsteinille, joka rakasti sitä niin paljon, että hän järjesti sen. julkaistu Zeitschrift für Physik oman paperinsa rinnalla. Einsteinin panoksiin kuului fotonitilastojen laajentaminen muun tyyppisiin hiukkasiin (mukaan lukien atomeihin) ja mielenkiintoisen seurauksen osoittaminen: erittäin alhaisissa lämpötiloissa järjestelmän todennäköisin tila on, että kaikki hiukkaset ovat saman energiatilanteessa.

Tätä kollektiivista tilaa kutsutaan nykyään BEC:ksi, ja se liittyy läheisesti superfluiditeettiin ja suprajohtavuuteen, joita havaitaan nesteissä ja kiinteissä aineissa (vastaavasti) absoluuttisen nollan lähellä olevissa lämpötiloissa. Itse BEC-siirtymä voisi kuitenkin periaatteessa tapahtua laimeassa atomikaasussa – aivan kuten atomifyysikot alkoivat luoda 1970-luvulla.

Muutamia esteitä oli kuitenkin. Yksi on se, että kriittinen lämpötila, jossa BEC muodostuu, määräytyy tiheyden mukaan: mitä pienempi tiheys, sitä alhaisempi kriittinen lämpötila. Vaikka Sisyphus-jäähdytys mahdollisti mikrokelvinin lämpötilat, laserjäähdytteiset atomihöyryt ovat niin diffuuseja, että niiden siirtymälämpötila on jopa alhaisempi, nanokelvinin alueella. Se on myös alhaisempi kuin "rekyylilämpötila", joka liittyy atomeihin, jotka absorboivat tai emittoivat yhtä fotonia. Tämän rajan alapuolelle jäähtyminen on siksi tehtävä ilman lasereita.

Yksi haihdutus kerrallaan

Yleinen ratkaisu näihin ongelmiin tuli Daniel Kleppner ja kollegansa Massachusetts Institute of Technologyssa (MIT). Se on samanlainen kuin mekanismi, joka jäähdyttää kupin teetä. Teessä olevat vesimolekyylit liikkuvat eri nopeuksilla, ja nopeimmilla on tarpeeksi energiaa vapautuakseen ja kelluakseen pois vesihöyrynä. Koska nämä "pakolaiset" kuljettavat mukanaan keskimääräistä enemmän energiaa, loput molekyylit päätyvät kylmemmiksi. Kun niiden liikkeessä oleva energia jakautuu uudelleen molekyylien välisten törmäysten kautta, järjestelmä saavuttaa uuden tasapainon alemmassa lämpötilassa (kuva 2).

Kleppnerin menetelmä tunnetaan haihdutusjäähdytyksenä, ja se vaatii kaksi elementtiä: keinon poistaa selektiivisesti kuumimmat atomit ansasta ja atomien välisen törmäysnopeuden, joka on riittävän korkea, jotta näyte tasapainottuu uudelleen jälkeenpäin. Ensimmäinen elementti tuli käsi kädessä fotonien rekyyliongelman ratkaisun kanssa: atomit voidaan pitää "pimeässä" siirtämällä ne magneto-optisesta ansasta (MOT) puhtaasti magneettiseen ansaan, kuten Phillips alun perin teki. Vuonna 1983. "Kuumien" atomien korkeampi energia vaatii suuremman magneettikentän rajoittamaan niitä, ja tämä suuri magneettikenttä saa aikaan Zeeman-siirtymän atomien energiatasoissa. Oikein viritetty radiotaajuussignaali voi siten kääntää "kuumat" atomit tällä korkealla kentällä loukottamattomaan tilaan häiritsemättä kylmempiä. Jäljelle jääneet kylmemät atomit rajoittuvat myös pienempään tilavuuteen, joten lämpötilan laskiessa tiheys kasvaa, mikä tuo järjestelmän lähemmäksi BEC:tä kahdella tavalla.

Törmäyskysymys on kuitenkin kokeilijoiden käsistä. Asianmukaista nopeutta kuvaa yksi parametri: ns. sirontapituus törmäävän atomiparin tietyissä tiloissa. Jos tämä sirontapituus on kohtalaisen suuri ja positiivinen, haihtuminen etenee nopeasti ja syntyvä lauhde on stabiilia. Jos sirontapituus on liian pieni, haihtuminen on hyvin hidasta. Jos se on negatiivinen, kondenssivesi on epävakaa.

Ilmeinen ratkaisu on valita atomi, jolla on oikea sirontapituus, mutta tämä parametri osoittautuu erittäin vaikeaksi laskea ensimmäisten periaatteiden perusteella. Se on määritettävä empiirisesti, eikä kukaan ollut tehnyt tarvittavia kokeita 1990-luvun alussa. Tästä johtuen ryhmät, jotka alkoivat harjoittaa BEC:tä, valitsivat eri elementtejä jaksollisesta taulukosta, kukin toivoen, että "omansa" saattavat osoittautua "oikeiksi". Wieman ja hänen uusi kollegansa Eric Cornell jopa vaihtanut cesiumista rubidiumiin, koska rubidiumin kaksi stabiilia isotooppia kaksinkertaisti mahdollisuudet.

"Se ei koskaan toimi"

Koska MOT voidaan muuttaa puhtaasti magneettiseksi ansaksi yksinkertaisesti sammuttamalla laserit ja viemällä enemmän virtaa magneettikäämien läpi, ensimmäiset askeleet kohti BEC:tä olivat suoraviivainen laserjäähdytyskokeiden laajennus. Tuloksena olevalla "quadrupoli trap" -konfiguraatiolla on vain yksi suuri ongelma: kenttä loukun keskellä on nolla, ja nollakentässä atomit voivat muuttaa sisäiset tilansa sellaiseksi, joka ei enää jää loukkuun. Tämän atomien "vuodon" sulkeminen ansakeskuksesta vaatii tavan, jolla estetään loukkuun jääneiden atomien tilan muuttaminen.

Useiden vuosien ajan tämä oli tärkeä laserjäähdytystutkimuksen alue. Cornellin ja Wiemanin lisäksi yksi pääehdokkaista kovenevassa BEC-kisassa oli Wolfgang Ketterle MIT:stä. Hänen ryhmänsä kehitti tavan työntää atomeja pois nollakentän alueelta käyttämällä sinisellä viritettyä laseria, joka keskittyi ansan keskelle "tulpana". Cornell ja Wieman puolestaan ​​käyttivät täysmagneettista tekniikkaa, jota he kutsuivat aikakiertopotentiaalin (TOP) ansaksi.

Cornell kehitti TOP:n lennolla takaisin konferenssista vuoden 1994 alussa, mikä johtui osittain tarpeesta rajoittaa laitteensa häiriöitä. Vaikka hänellä ja Wiemanilla ei ollut tilaa toiselle lasersäteelle, he voisivat lisätä pienen ylimääräisen kelan akselin ympärille, joka oli kohtisuorassa kvadrupolikeloihin nähden, mikä muuttaisi nollakentän sijaintia. Atomit ansassa liikkuisivat kohti uutta nollaa, tietysti, mutta ei nopeasti. Jos he käyttivät kahta pientä kelaa eri akseleilla, joita värähtelevät virrat liikuttavat nollaa ympyrässä muutama sata kertaa sekunnissa, se saattaisi riittää pitämään sen Cornellin sanoin "kaikkialla, missä atomit eivät ole".

He testasivat ideaa sinä kesänä käyttämällä pientä kelaa, jota ohjasi halpa äänivahvistin. Aluksi lisätty kenttä sai niiden lasihöyrykennojen ympärille kierretyt kelat helisemään hälyttävästi, ja ajetut kelat tekivät lävistävän, korkean äänen, mutta periaate oli hyvä, joten he rakensivat tukevamman version. Muutamaa kuukautta myöhemmin, vuoden 1995 alussa, Cornell keskusteli ansasuunnitelmista Ketterlen kanssa ja ajatteli, että MIT-tiimin optinen pistoke "ei koskaan toimisi. Pohjimmiltaan siitä tulee iso vanha swizzle stick, joka osoittaa sinne." Hän kuitenkin myöntää, että Ketterle saattoi tuntea samoin TOPista: "Hän luultavasti ajattelee: "Se on typerin idea, jonka olen koskaan kuullut koko elämäni aikana." Joten lähdimme molemmat erittäin tyytyväisinä tuosta keskustelusta."

Kuten tapahtui, molemmat tekniikat itse asiassa toimivat. Cornell ja Wieman osoittivat tämän ensimmäisenä suorittamalla sarjan kokeita, joissa he loistavat lasersäteen kylmän atomipilvensä läpi. Näiden "tilannekuvien aikana" pilven atomit absorboivat fotoneja laserista jättäen säteeseen varjon. Tämän varjon syvyys oli pilven tiheyden mitta, kun taas pilven koko osoitti atomien lämpötilaa. Haihtumisen edetessä tilannekuvissa näkyi pallomaisesti symmetrinen atomipilvi, joka kutistui hitaasti ja jäähtyi, kun kuumia atomeja poistettiin asteittain.

Sitten kesäkuussa 1995 noin 170 nanokelvinin lämpötilassa tapahtui jotain dramaattista: heidän kuviensa keskelle ilmestyi pieni tumma täplä, joka edustaa atomeja rajusti alhaisemmassa lämpötilassa ja suuremmassa tiheydessä. Cornell sanoo, että ei kestänyt kauan selvittää, mitä oli tekeillä: "Keskitiheys vain nousee. Mitä siellä tapahtuu, ellei Bose-Einsteinin kondensaatiota?"

Vahvistaakseen epäilyksiään hän ja Wieman muunsivat osan varjokuvistaan ​​nyt ikonisiksi kolmiulotteisiksi kaavioiksi (katso "Tyylikkäin tulos" -kuva), joissa lämpöatomit näkyvät leveänä jalustana ja BEC:n "piikinä", joka nousi esiin. keskus. Piikin muoto – toiseen suuntaan leveämpi – koodasi vihjeen. Koska niiden TOP-loukku oli pystysuunnassa vahvempi kuin vaakasuora, kondensaatti puristettiin tiukemmin tähän suuntaan, mikä tarkoittaa, että se laajeni nopeammin siihen suuntaan vapautumisen jälkeen. Vaikka he eivät olleet ennustaneet tätä muodonmuutosta, he pystyivät nopeasti selittämään sen, mikä lisäsi heidän luottamustaan ​​siihen, että he olivat saavuttaneet BEC:n "pyhän maljan".

Cornell ja Wieman ilmoittivat tuloksistaan ​​(noin päiviltä epätavallisesti) lehdistötilaisuudessa kesäkuun alussa 1995. Heidän artikkelinsa julkaistiin tiede seuraavan kuukauden. Syyskuussa Ketterle ja kollegat tuottivat oman sarjansa 3D-kaavioita, jotka osoittivat samanlaisen "piikin" nousevan, kun heidän natriumatomipilvensä saavutti siirtymälämpötilan. Cornell, Wieman ja Ketterle jatkoivat jakamista 2001 Nobelin fysiikan palkinto BEC:n saavuttamiseksi laimeissa atomihöyryissä.

Fermionit saavat mestarinsa

Vuoden 1995 alkukuukausina Cornell rekrytoi uuden postdocin, Deborah "Debbie" Jin. Hänen miehensä John Bohn, fyysikko NIST:stä Boulderissa, muistelee Cornellin sanoneen: "Monet ihmiset kertovat sinulle, että BEC:llä on vielä vuosia, mutta uskon todella, että teemme sen." Hän oli oikeassa: ensimmäinen BEC tapahtui sen hetken välillä, kun Jin suostui ottamaan työn vastaan ​​ja kun hän aloitti työt.

Jin tuli toisesta tutkimusyhteisöstä – hänen väitöskirjansa käsitteli eksoottisia suprajohtimia – mutta hän oppi nopeasti lasereista ja optiikasta, ja hänellä oli keskeinen rooli varhaisissa kokeissa, joissa tutkittiin BEC:n ominaisuuksia. Nousevana tähdenä hänellä oli lukuisia tarjouksia vakituisesta työpaikasta, mutta hän päätti jäädä JILAan, hybridilaitokseen, jossa yhdistyvät Coloradon yliopiston ja NIST:n asiantuntemus. Erottaakseen työnsä Cornellin ja Wiemanin työstä hän päätti harjoittaa toista luokkaa erittäin alhaisissa lämpötiloissa: rappeutuneita Fermi-kaasuja.

Kun bosoneja säätelevät tilastolliset säännöt, jotka tekevät todennäköisemmin kahden niistä löytyvän samassa energiatilassa, fermionit ovat ehdottomasti kiellettyjä jakamasta tiloja. Tämä on elektroneihin sovellettu Paulin poissulkemisperiaate, joka selittää suuren osan kemiasta: atomin elektronit "täyttävät" käytettävissä olevat energiatilat, ja viimeisten elektronien tarkka tila määrää tietyn alkuaineen kemialliset ominaisuudet. Magneettiloukun fermioniset atomit noudattavat samanlaista sääntöä: kaasun jäähtyessä alimmat tilat täyttyvät. Jossain vaiheessa kaikki matalan energian tilat ovat kuitenkin täynnä, eikä pilvi voi kutistua enempää. Kuten BEC:n tapauksessa, tämä on puhtaasti kvanttiilmiö, jolla ei ole mitään tekemistä hiukkasten välisten vuorovaikutusten kanssa, joten sen pitäisi olla havaittavissa ultrakylmien atomien kaasussa.

Jin aloitti JILAn vuonna 1997 yhden jatko-opiskelijan kanssa, Brian DeMarco, jonka Cornell oli palkannut, mutta siirtyi työskentelemään Jinin kanssa Cornellin suosituksesta. Kuten DeMarco muistelee, Cornell kertoi hänelle: "Jos sinä ja Debbie voitte olla ensimmäiset ihmiset, jotka tekevät DFG:n, siitä tulee iso juttu, ja sen tekeminen on hyvä."

Pari aloitti tyhjästä laboratoriosta, josta puuttui huonekalut. Bohn muistaa heidän istuvan lattialla toimistossa, jonka hän jakoi Jinin kanssa, kokoamassa elektroniikkaa tulevia lasereita varten. Vuoden sisällä heillä oli kuitenkin toimiva laite fermionisten kaliumatomien magneettiseen vangitsemiseen ja haihtuvaan jäähdyttämiseen.

DFG:n etsintä asettaa kaksi haastetta BEC-kilpailun lisäksi. Ensimmäinen niistä on se, että erittäin alhaisissa lämpötiloissa haihtuvan jäähdytyksen uudelleentasapainotusvaiheeseen tarvittavat törmäykset lakkaavat tapahtumasta, koska kahden fermionin samassa tilassa olemisen kielto estää niitä törmäämästä. Tämän ratkaisemiseksi Jin ja DeMarco asettivat puolet atomeistaan ​​eri sisäiseen tilaan, mikä tarjosi riittävästi tilojen välisiä törmäyksiä haihtumisen mahdollistamiseksi. Prosessin lopussa he voivat poistaa toisen kahdesta tilasta ja kuvata loput.

Toinen ongelma on, että vaikka BEC:n kokeellinen allekirjoitus on jättimäinen tiheyspiikki atomipilven keskellä, Fermin rappeutuminen on hienovaraisempaa. Avainilmiö, jossa atomit kieltäytyvät kasautumasta yhteen, ilmenee epädramaattisesti pilvenä, joka lakkaa kutistumasta entisestään, kun siirtymälämpötila saavutetaan. Degeneroituneen kaasun erottaminen lämpöpilvistä vaati huolellista mallintamista ja kuvausjärjestelmää, joka pystyi mittaamaan luotettavasti pieniä muutoksia jakauman muodossa.

Atomien Fermi-kaasu

Näistä haasteista huolimatta Jin ja DeMarco julkaisivat vain 18 kuukautta tyhjästä huoneesta aloittamisen jälkeen ensimmäisen havainnon rappeutuneesta Fermi-kaasusta. Muutamaa vuotta myöhemmin Ketterlen johtamat tiimit Randy Hulet Ricen yliopistossa, Christophe Salomon ENS:ssä Pariisissa ja John Thomas Duken yliopistossa, seurasi.

Sillä välin Jin käytti lasereita ja magneettikenttiä degeneroituneiden atomien muuntamiseen molekyyleiksi, mikä avasi uusia rajoja ultrakylmälle kemialle. Tämä työ sai lukuisia tunnustuksia, mm MacArthur-säätiön "nero-apuraha", The I I Rabi -palkinto American Physical Societylta (APS) ja Isaac Newtonin mitali fysiikan instituutista. Jin olisi halunnut saada vielä yhden Nobelin ultrakylmien atomien fysiikan palkinnosta, mutta valitettavasti hän kuoli syöpään vuonna 2016, eikä palkintoa jaeta postuumisti.

Palkintojen lisäksi Jinin perintö on kuitenkin huomattava. Hänen aloittamansa ala-ala on kasvanut yhdeksi atomifysiikan tärkeimmistä alueista, ja hänen entiset opiskelijansa ja työtoverinsa johtavat edelleen ultrakylmien fermionien tutkimusta. Tunnustuksena hänen sitoutumisestaan ​​mentorointiin APS myönsi vuosittain Deborah Jin -palkinnon erinomaisesta väitöskirjatutkimuksesta atomi-, molekyyli- tai optisen fysiikan alalla.

Jatkuvan löydön historia

Tämä sarja kattaa hieman yli puoli vuosisataa. Tuona aikana ajatus lasereiden käytöstä atomien manipuloimiseen muuttui yhden Bell Labsin fyysikon tyhjästä uteliaisuudesta perustavanlaatuiseksi tekniikaksi valtavalle joukolle huippuluokan fysiikkaa. Laserjäähdytetyt ionit ovat nykyään yksi tärkeimmistä kvanttitietotieteen kehittämisen alustoista. Laserjäähdytteiset neutraalit atomit muodostavat perustan maailman parhaille atomikelloille. Ja Cornellin, Wiemanin, Ketterlen ja Jinin ensimmäisenä havaitsemat kvanttidegeneroituneet järjestelmät synnyttivät valtavan alakentän, joka yhdistää atomifysiikan kondensoituneen aineen fysiikkaan ja kemiaan. Laserjäähdytteiset atomit ovat edelleen elintärkeitä fysiikan tutkimukselle, ja uutta historiaa kirjoitetaan päivittäin laboratorioissa ympäri maailmaa.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/coldest-how-a-letter-to-einstein-and-advances-in-laser-cooling-technology-led-physicists-to-new-quantum-states-of-matter/