Colder: kuinka fyysikot ylittivät laserjäähdytyksen teoreettisen rajan ja loivat perustan kvanttivallankumoukselle – Physics World

Colder: kuinka fyysikot ylittivät laserjäähdytyksen teoreettisen rajan ja loivat perustan kvanttivallankumoukselle – Physics World

Käytännössä laki on, että mikään koe ei toimi paremmin kuin teorian mukaan sen pitäisi, mutta juuri niin tapahtui atomifysiikassa 1980-luvun lopulla. Chad Orzel kuvailee laserjäähdytyksen kolmiosaisen historiansa toisessa osassa. Ensimmäinen osa on luettavissa täältä 

atomiloukkulaite
Hehkuu kirkkaasti 1980-luvun lopulla otetussa valokuvassa tutkija Kris Helmerson havaitsee pienen hehkuvan natriumatomipilven, jonka kuusi risteävää lasersädettä vangitsee tyhjiökammiossa. Tuolloin Helmerson oli jäsen Bill Phillipsin tutkimusryhmässä silloisessa Yhdysvaltain kansallisessa standarditoimistossa. Phillips jakoi Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1997 tässä laboratoriossa kehitetyistä laserjäähdytys- ja pyyntitekniikoista. (Kohtelias: H Mark Helfer/NIST)

1960-luvun lopulla pieni tutkijayhteisö alkoi käyttää valon voimia pienten esineiden työntämiseen. Seuraavan vuosikymmenen aikana ala laajeni käsittämään laserjäähdytyksen, tehokkaan tekniikan, joka hyödyntää Dopplerin muutos tuottaa voimaa, joka voi vain hidastaa kohteita, mutta ei koskaan nopeuttaa niitä. Vuosien kuluessa nämä uudet laserjäähdytyskokeet kehittyivät kahdella rinnakkaisella radalla – ioneja ja atomeja – joita tutkittiin tämän sarjan osa 1: "Kylmä: kuinka fyysikot oppivat manipuloimaan ja liikuttamaan hiukkasia laserjäähdytyksellä".

Ioneilla oli monella tapaa etulyöntiasema. Sähkövarauksensa vuoksi ne kokevat sähkömagneettisia voimia, jotka ovat riittävän vahvoja, jotta ne voidaan kiinnittää sähkömagneettisiin ansoihin korkeissa lämpötiloissa ja jäähdyttää laserilla ultraviolettiaallonpituuksilla. Vuoteen 1981 mennessä ioniloukkukoneet olivat jalostaneet tätä tekniikkaa niin pitkälle, että ne pystyivät vangitsemaan ja havaitsemaan yksittäisiä ioneja ja suorittamaan niille spektroskopiaa ennennäkemättömällä tarkkuudella.

Atomit sitä vastoin on hidastettava, ennen kuin ne voivat jäädä valon ja magneettikenttien aiheuttamien heikompien voimien loukkuun. Silti vuoteen 1985 mennessä Bill Phillips ja kollegat US National Bureau of Standards Gaithersburgissa, Marylandissa, oli käyttänyt valoa hidastaakseen natriumatomien säteen lähes pysähtymiseen ja sulkenut ne sitten magneettiseen ansaan. Tämän lisäksi atomien kesyttäjien päähaasteena näytti olevan kehittää tätä työtä neutraalien atomien vangitsemisen tehostamiseksi ja itse jäähdytysprosessin rajojen työntäminen.

Molemmat projektit onnistuisivat yli odotusten. Ja aivan kuten näimme osassa 1, tämän menestyksen juuret juontavat juurensa Arthur Ashkin at Bell Labs.

Hyvä idea, riittämätön toteutus

Kun tapasimme Ashkinin viimeksi, oli vuosi 1970, ja hän oli juuri kehittänyt "optisen pinsetin" tekniikan, joka voittaisi hänelle Nobel-palkinnon lähes 50 vuotta myöhemmin. 1970-luvun loppuun mennessä hän työskenteli Bell Labsin kollegoidensa kanssa atomisädekokeissa. "Rick Freeman minulla oli atomisädekone, ja minulla oli joitain kokeita, joita olisi mielenkiintoista tehdä atomisäteellä, mutta en ollut kovin innostunut atomisädekoneen rakentamisesta”, Ashkinin silloinen kollega John Bjorkholm muistelee.

Päällekkäin lasersäteen atomisäteen kanssa Ashkin ja Bjorkholm osoittivat, että atomit oli mahdollista tarkentaa tai defokusoida säätämällä valon taajuutta. Kun laser on viritetty punaiselle – hieman pienemmällä taajuudella kuin atomit ”haluavat” absorboida – atomien ja valon välinen vuorovaikutus alentaisi atomien sisäistä energiaa ("valosiirtymä") vetäen atomeja lasersäteeseen. Kun laser oli viritetty siniseksi, atomit työntyivät ulos.

Ashkinilla oli useita ideoita tämän ilmiön muuttamiseksi "täysoptiseksi" menetelmäksi atomien vangitsemiseksi (eli ilman Phillipsin ryhmän käyttämiä magneettikenttiä). Valitettavasti Ashkin ja Bjorkholm kamppailivat sen toteuttamisessa, koska Freemanin atomipalkki rakennettiin pleksi-ikkunoilla, jotka eivät kestäneet tarpeeksi alhaisia ​​paineita. Jäähdyttävät laserit eivät vaikuttaneet ulkopuolelta vuotaneisiin atomeihin ja molekyyleihin, minkä seurauksena ne törmäsivät säteen atomeihin ja potkaisivat kohdeatomit ulos ansasta. Muutaman vuoden pettymysten tulosten jälkeen Bell Labsin johto pahoitteli kokeita ja pakotti Ashkinin jatkamaan muita asioita.

Uimarit viskoosissa nesteessä

Steven Chu

Näihin aikoihin nuori tutkija, jolla oli (itsekuvauksensa) maine "henkilönä, joka pystyi tekemään vaikeita kokeita", muutti toimistoon lähellä Ashkinin Bell Labsin Holmdelin laitoksessa. Hänen nimensä oli Steve Chu, ja hän kiinnostui Ashkinin ideoista. Yhdessä he rakensivat ultrakorkean tyhjiöjärjestelmän, joka soveltuu atomien jäähdyttämiseen ja vangitsemiseen, sekä järjestelmän, joka hidastaa natriumatomeja pyyhkäisemällä nopeasti lasertaajuutta kompensoimaan muuttuvaa Doppler-siirtymää. Jälkimmäinen tekniikka tunnetaan nimellä "chirp cooling"; Onnellisen sattuman johdosta tutkijat, jotka kehittivät yhden sen avainteknologiasta, olivat myös Holmdelissa.

Tässä vaiheessa Chu ehdotti, että atomit esijäähdyttäisivät valaisemalla ne kolmella kohtisuoralla vastakkaisesti etenevällä lasersäteellä, jotka kaikki oli viritetty taajuudelle, joka on juuri atomien siirtymätaajuuden alapuolella, kuten osassa 1 käsiteltiin. Tämä konfiguraatio tarjoaa jäähdytysvoiman. kaikissa kolmessa ulottuvuudessa samanaikaisesti: ylöspäin liikkuva atomi näkee alaspäin menevän lasersäteen Dopplerin siirtyneenä ylöspäin, absorboi fotoneja ja hidastaa; vasemmalle liikkuva atomi näkee fotonit oikealle suuntautuvassa säteessä siirtyneenä ylöspäin ja niin edelleen. Riippumatta siitä, mihin suuntaan atomit liikkuvat, ne tuntevat voiman, joka vastustaa niiden liikettä. Samankaltaisuus viskoosissa nesteessä olevan uimarin ahdingon kanssa sai Chun kutsumaan sitä "optiseksi melassiksi" (kuva 1).

1 Optinen melassi

Colder: kuinka fyysikot ylittivät laserjäähdytyksen teoreettisen rajan ja loivat perustan kvanttivallankumoukselle – Physics World PlatoBlockchain Data Intelligence. Pystysuuntainen haku. Ai.

Atomia valaisevat punaiset viritettyjen säteiden parit kohtisuorassa akselissa. Vasemmalle liikkuva atomi näkee oikealle suuntautuvan laser Dopplerin siirtyneen ylöspäin, ja se todennäköisemmin absorboi valoa siitä ja hidastaa; muut säteet eivät siirry eivätkä siten imeydy. Jos atomi liikkuu ylöspäin, se näkee vain alaspäin suuntautuvan säteen siirtyneenä ylöspäin ja absorboi siitä ja niin edelleen. Atomi kokee voiman, joka hidastaa sitä riippumatta siitä, mihin suuntaan se liikkuu.

Bell Labs -tiimi esitteli optista melassia vuonna 1985 keräten tuhansia atomeja sirkulla jäähdytetystä säteestä. Kuten nimelle kuuluu, optinen melassi oli erittäin "tahmeaa" ja piti atomeja päällekkäisissä säteissä noin sekunnin kymmenesosan (atomifysiikassa käytännössä ikuisuus) ennen kuin ne vaelsivat ulos. Melassin alueella atomit absorboivat ja säteilevät jatkuvasti valoa jäähdytyslasereista, joten ne näyttävät hajanaisena hehkuvana pilvenä. Valon kokonaismäärä tarjosi helpon mittauksen atomien lukumäärästä.

Ashkin, Chu ja heidän työtoverinsa pystyivät myös arvioimaan atomien lämpötilan. He tekivät tämän mittaamalla kuinka monta atomia melassissa oli, sammuttamalla valon hetkeksi, sytyttämällä sen sitten takaisin ja mittaamalla luvun uudelleen. Pimeän ajanjakson aikana atomipilvi laajenee ja jotkut atomit pakenevat melassisäteiden alueelta. Tämän pakonopeuden ansiosta ryhmä pystyi laskemaan atomien lämpötilan: noin 240 mikrokelviniä – aivan linjassa laserjäähdytteisten natriumatomien odotetun minimin kanssa.

Melassin muuttaminen ansaksi

Tahmeudesta huolimatta optinen melassi ei ole ansa. Vaikka se hidastaa atomeja, kun atomit ajautuvat lasersäteiden reunaan, ne voivat paeta. Loukku sitä vastoin antaa voiman, joka riippuu sijainnista ja työntää atomit takaisin keskialueelle.

Yksinkertaisin tapa luoda ansa on tiukasti fokusoidulla lasersäteellä, joka on samanlainen kuin Ashkinin optiset pinsetit, jotka on kehitetty mikroskooppisten esineiden vangitsemiseen. Vaikka laserpolttopisteen tilavuus on pieni murto-osa melassin tilavuudesta, Ashkin, Bjorkholm ja (riippumattomasti) Chu ymmärsivät, että merkittävä määrä atomeja voisi kuitenkin kerääntyä tällaiseen ansaan melassin satunnaisen diffuusion kautta. Kun he lisäsivät melassiinsa erillisen, vangitsevan lasersäteen, tulokset olivat lupaavia: hajamelassipilveen ilmestyi pieni kirkas täplä, joka edusti useita satoja loukkuun jääneitä atomeja.

Sen pidemmälle pääseminen toi kuitenkin teknisiä haasteita. Ongelmana on, että atomienergiatasojen muutos, joka mahdollistaa yksisäteen optisen loukkuun, vaikeuttaa jäähdytysprosessia: kun sieppauslaser alentaa atomin perustilan energiaa, se muuttaa jäähdytyslaserin tehollista taajuuden viritystä. Toisen laserin käyttö ja jäähdytyksen ja vangitsemisen vuorotteleminen lisää vangittujen atomien määrää, mutta lisämonimutkaisuuden kustannuksella. Edistyäkseen edelleen fyysikot tarvitsisivat joko kylmempiä atomeja tai paremman ansa.

Ranskan yhteys

Claude Cohen-Tannoudji

Molemmat olivat horisontissa. Claude Cohen-Tannoudji ja hänen ryhmänsä École Normale Supérieuressa (ENS) Pariisissa käsittelivät ensisijaisesti laserjäähdytystä teoreettisesta puolelta. Jean Dalibard, sitten vasta lyöty tohtori ryhmässä, muistaa opiskelleensa Ashkinin teoreettisia analyyseja ja jim gordon ("fantastinen lehti") ja Neuvostoliiton kaksikko VLadilen Letokhov ja Vladimir Minogin, jotka (yhdessä Boris D Pavlik) oli laskenut laserjäähdytyksellä saavutettavan vähimmäislämpötilan vuonna 1977.

Kuten näimme osassa 1, tämä vähimmäislämpötila tunnetaan Doppler-jäähdytysrajana, ja se johtuu satunnaisista "potkuista", joita tapahtuu, kun atomit lähettävät uudelleen fotoneja absorboituaan valoa yhdestä jäähdytyssäteestä. Dalibard oli utelias siitä, kuinka luja tämä "raja" todella oli, ja etsi keinoja pitää atomit "pimeässä" mahdollisimman paljon. Tätä varten hän hyödynsi todellisten atomien ominaisuutta, jota standardi Doppler-jäähdytysteoria ei kaappaa: todelliset atomitilat eivät ole yksittäisiä energiatasoja, vaan kokoelmat alatasot, joilla on sama energia, mutta eri kulmamomentti (kuva 2).

Nämä eri alatasot tai liikemäärätilat muuttavat energiaa magneettikentän läsnä ollessa (Zeeman-ilmiö). Kun kenttä vahvistuu, jotkut tilat lisäävät energiaa, kun taas toiset vähenevät. Nämä roolit käännetään sitten, kun kentän suunta vaihtuu. Toinen vaikeuttava tekijä on se, että laservalon polarisaatio määrittää, mitkä alatasot absorboivat fotoneja. Kun yksi polarisaatio siirtää atomeja tilojen välillä tavalla, joka lisää kulmamomenttia, toinen vähentää sitä.

2 Natriumissa useita alatasoja

Colder: kuinka fyysikot ylittivät laserjäähdytyksen teoreettisen rajan ja loivat perustan kvanttivallankumoukselle – Physics World PlatoBlockchain Data Intelligence. Pystysuuntainen haku. Ai.

Magneettikentän puuttuessa natriumatomin perustilassa on viisi alatasoa, joilla on sama energia mutta erilainen kulmamomentti, ja viritetyllä tilassa on seitsemän. Kaikki siirtymät maa- ja viritystilan välillä sisältävät saman taajuuden valoa. Kun magneettikenttää käytetään, alitasot siirtyvät ylös tai alas eri määriä. Tämän seurauksena siirtymä "venytettyjen tilan" alitasojen välillä suurimman kulmamomentin välillä siirtyy korkeammalle (sininen) tai alemmalle (punainen) taajuudelle.

Teoreettisessa analyysissään Dalibard yhdisti nämä alatasot magneettikenttään, joka on jossain vaiheessa nolla ja kasvaa atomien liikkuessa ulospäin. Näin tehdessään hän loi tilanteen, jossa tehokas lasertaajuuden viritys riippui atomien sijainnista. (Phillips ja kollegat käyttivät samanlaista konfiguraatiota magneettiansaan, mutta paljon korkeammalla kentällä.) Atomit pystyivät siis absorboimaan tietystä laserista vain tietyssä kohdassa, jossa virityksen, Doppler-siirtymän ja Zeeman-siirtymän yhdistelmä oli juuri oikea ( kuva 3).

3 Magneto-optinen loukku

Colder: kuinka fyysikot ylittivät laserjäähdytyksen teoreettisen rajan ja loivat perustan kvanttivallankumoukselle – Physics World PlatoBlockchain Data Intelligence. Pystysuuntainen haku. Ai.

Atomit valaisevat punaiseksi viritetyllä laserilla, joiden polarisaatiot ovat vastakkaiset, magneettikentässä, joka kasvaa liikkuessaan pois keskustasta. Viritetyn tilan alitasot siirtyvät vastakkaisiin suuntiin kentän vaikutuksesta ja atomit absorboivat valoa vain siinä kohdassa, jossa virityksen, Zeeman-siirtymän ja Doppler-siirtymän yhdistelmä on juuri oikea, työntäen ne takaisin keskelle.

Dalibard toivoi, että rajoittamalla atomien kykyä absorboida valoa tällä tavalla voisi laskea niiden vähimmäislämpötilaa. Laskettuaan, ettei niin kävisi, hän jätti idean pois. "Näin sen olevan ansa, mutta en etsinyt ansaa, etsin sub-Doppler-jäähdytystä", hän selittää.

Siihen se olisi voinut päättyä, jos sitä ei olisi ollut Dave Pritchard, Massachusetts Institute of Technologyn fyysikko, joka vieraili Pariisin ryhmässä vuonna 1986. Vierailun aikana Pritchard piti puheen ideoista suuremman volyymin ansojen valmistamiseksi ja sanoi, että hän ottaisi mielellään muitakin – parempia – ehdotuksia.

"Menin Daven luo ja sanoin: "No, minulla on idea, enkä ole varma, että se on parempi, mutta se on erilainen kuin sinun", Dalibard muistelee. Pritchard vei Dalibardin idean takaisin Yhdysvaltoihin, ja vuonna 1987 hän rakensi Chun kanssa ensimmäisen magneto-optisen ansan (MOT) Dalibardin analyysin perusteella. Dalibardille tarjottiin tuloksena syntyneen paperin kirjoittajaksi, mutta hän oli iloinen, että se tunnustettiin tunnustuksissa.

On vaikea yliarvioida, kuinka vallankumouksellinen MOT oli laserjäähdytyksen kehittämisessä. Se on suhteellisen yksinkertainen laite, joka vaatii vain yhden lasertaajuuden ja suhteellisen heikon magneettikentän tuottaakseen vahvoja ansoja. Parasta kaikessa on kuitenkin sen kapasiteetti. Chun ja Ashkinin ensimmäinen täysin optinen ansa sisälsi satoja atomeja, Phillipsin ensimmäinen magneettiloukku useita tuhansia, mutta ensimmäinen magneto-optinen ansa sisälsi kymmenen miljoonaa atomia. Yhdessä Carl Wiemanin Coloradon yliopistossa esittelemien halpojen diodilaserien kanssa (joista enemmän tämän sarjan osassa 3) MOT:n tulo laukaisi nopean räjähdyksen laserjäähdytystä tutkivien ryhmien määrässä maailmanlaajuisesti. Tutkimusvauhti oli kiihtymässä.

Murphyn laki vie lomaa

Kun Pritchard ja Chu rakensivat ensimmäistä MOT:ta, Phillips ja hänen Gaithersburgin kollegansa kohtasivat erittäin epätavallisen ongelman optisen melassin kanssa. Vastoin kaikkia kokeellisen fysiikan odotuksia, melassi toimi liian hyvin. Itse asiassa se voisi jäähdyttää atomeja, vaikka osa sen säteistä olisi osittain tukossa.

Tämä löytö johtui osittain siitä, että laserjäähdytyksen piti olla Phillipsin sivuprojekti, joten hänen laboratorionsa perustettiin valmistushuoneeseen, joka oli yhdistetty konepajaan. Estääkseen pölyn ja rasvan kerääntymisen laboratorion tyhjiöjärjestelmään ryhmän jäsenet peittivät järjestelmän ikkunat muovilla tai suodatinpaperilla yöllä. "Toisinaan saat tämän todella vääristyneen näköisen melassin", muistelee Paul Lett, joka liittyi ryhmään vuonna 1986, ”ja silloin tajuaisit, että oi, emme ottaneet sitä suodatinpaperia pois. Oli hämmästyttävää, että se toimi ollenkaan."

Tämä yllättävä sinnikkyys sai Lettin vaatimaan systemaattisempaa tutkimusta, mukaan lukien uudet lämpötilamittaukset. Bell Labs -ryhmän kehittämässä "vapauta ja talteenotto" -menetelmässä oli suhteellisen suuria epävarmuustekijöitä, joten Phillipsin ryhmä kokeili uutta menetelmää, joka sisälsi valon havaitsemisen, kun atomit ylittävät melassin lähelle sijoitetun koetusäteen. Kun melassi sammutettiin, atomit lensivät pois. Aika, joka heillä kului päästäkseen luotain, antaisi suoran mittauksen niiden nopeudesta ja siten niiden lämpötilasta.

Kuten kaikki laserjäähdytyskokeet, Phillipsin laboratorio pakkasi paljon linssejä ja peilejä pieneen tilaan, ja sopivin paikka anturin sijoittamiseen osoittautui hieman melassialueen yläpuolelle. Tämän olisi pitänyt toimia hyvin atomeille, jotka liikkuivat Doppler-rajanopeudellaan, mutta kun Lett yritti koetta, yksikään atomeista ei päässyt koettimeen. Lopulta hän ja hänen kollegansa muuttivat luotain asennon melassin alapuolelle, jolloin he näkivät kauniin signaalin. Oli vain yksi ongelma: Doppler-jäähdytysraja oli 240 mikrokelviniä, mutta tämä "lentoajan" mittaus osoitti lämpötilaksi 40 mikrokelviniä.

Hal Metcalf ja Bill Phillips sarjakuva

Tämä tulos näyttää rikkovan Murphyn lakia, sanontaa, jonka mukaan "kaikki, mikä voi mennä pieleen, menee", joten he eivät olleet halukkaita hyväksymään sitä välittömästi. He mittasivat uudelleen lämpötilan useilla eri tekniikoilla, mukaan lukien parannetun vapautumisen ja talteenoton, mutta he saivat jatkuvasti saman tuloksen: atomit olivat paljon kylmempiä kuin teoria sanoi olevan mahdollista.

Vuoden 1988 alussa Phillips ja yritys ottivat yhteyttä muihin ryhmiin tiiviissä laserjäähdyttimien yhteisössä ja pyysivät heitä tarkistamaan lämpötilat omissa laboratorioissaan. Chu ja Wieman vahvistivat nopeasti yllättävän tuloksen: optinen melassi ei ainoastaan ​​jäähdyttänyt atomeja, vaan se toimi paremmin kuin teoria sanoi.

Mäkeen kiipeäminen

Pariisin ryhmällä ei vielä ollut koeohjelmaa, mutta Dalibard ja Cohen-Tannoudji hyökkäsivät ongelmaan teoreettisesti saman reaalimaailman tekijän kautta, jota Dalibard käytti MOT:n kehittämiseen: useiden sisäisten atomitilojen kautta. Natriumin perustilassa on viisi alatasoa, joilla on sama energia, ja atomien jakautuminen näiden tilojen kesken riippuu valon voimakkuudesta ja polarisaatiosta. Tämä "optiseksi pumppaukseksi" kutsuttu jakeluprosessi oli keskeinen spektroskooppisessa tutkimuksessa, joka tapahtui Pariisin ENS:ssä Cohen-Tannoudjin johdolla, joten hänen ryhmänsä soveltui ainutlaatuisen hyvin tutkimaan, kuinka nämä lisätilat voisivat parantaa laserjäähdytystä.

Keskeiseksi piirteeksi osoittautuu laservalon polarisaatio, joka klassisessa fysiikassa vastaa valon värähtelevän sähkökentän akselia. Kuuden vastakkain etenevän säteen yhdistelmä tuottaa monimutkaisen polarisaatioiden jakautumisen, kun säteet yhdistyvät eri tavoin eri paikoissa optisessa melassissa. Atomit pumpataan jatkuvasti optisesti erilaisiin konfiguraatioihin, mikä pidentää jäähdytysprosessia ja mahdollistaa alhaisemmat lämpötilat.

Kesään 1988 mennessä Dalibard ja Cohen-Tannoudji olivat kehittäneet tyylikkään mallin selittämään sub-Doppler-jäähdytystä. (Chu päätyi itsenäisesti samanlaiseen tulokseen, jonka hän muistaa johtaneensa junassa kahden konferenssin välillä Euroopassa.) He pitivät yksinkertaistettua atomia, jossa on vain kaksi perustilan alitasoa, perinteisesti merkitty –½ ja +½ ja jota valaisee kaksi lasersädettä, jotka etenevät alueella. vastakkaisiin suuntiin vastakkaisilla lineaarisilla polarisaatioilla. Tämä luo kuvion, joka vuorottelee kahden polarisaatiotilan välillä, merkitty σ:llä- ja σ+.

Atomi alueella σ- polarisaatio pumpataan optisesti -½-tilaan, joka kokee suuren valosiirtymän, joka alentaa sen sisäistä energiaa. Kun atomi liikkuu kohti σ:tä+ polarisaatioalueella valosiirtymä vähenee ja atomin on hidastettava kompensoimiseksi, menettäen kineettistä energiaa kompensoidakseen sisäisen energian kasvua, kuten pallo kiertyisi mäkeä ylös. Kun se saavuttaa arvon σ+ kevyt, optinen pumppaus saa sen siirtymään +½-tilaan, jossa on suuri valosiirtymä. Atomi ei saa takaisin energiaa, jonka se menetti kiipeäessään "mäkeen" pois σ:stä- alueella, joten se etenee hitaammin, kun prosessi alkaa alusta: valosiirtymä pienenee, kun se siirtyy kohti seuraavaa σ- alueella, joten se menettää energiaa ja pumppaa sitten optisesti arvoon –½ ja niin edelleen.

Tämä energian menetyksen prosessi jatkuvasti kiipeämällä "mäkiä" sai elävän nimen: Dalibard ja Cohen-Tannoudji kutsuivat sitä Sisyphus-jäähdytykseksi kreikkalaisen myytin kuninkaan mukaan, joka oli tuomittu viettämään ikuisuuden työntämällä kiven ylös mäkeä vain saadakseen kiven luisumaan. pois ja palaa pohjaan (kuva 4). Optisen melassin atomit ovat samanlaisessa ahdingossa, kiipeävät aina mäkiä ja menettävät energiaa vain, jotta optinen pumppaus palauttaa ne pohjaan ja pakottaa ne aloittamaan alusta.

4 Sisyphus jäähdytys

Colder: kuinka fyysikot ylittivät laserjäähdytyksen teoreettisen rajan ja loivat perustan kvanttivallankumoukselle – Physics World PlatoBlockchain Data Intelligence. Pystysuuntainen haku. Ai.

Liikkuva atomi –½-tilassa näkee suuren valosiirtymän, joka alentaa sen sisäistä energiaa, kun se kylpee valossa sigma-miinuspolarisaatiolla. Kun se liikkuu kohti sigma-plus-polarisoitua valoa sisältävää aluetta (kaavion punainen alue), valosiirtymä vähenee ja atomi hidastuu kompensoidakseen energian muutosta. Kun se tulee arvoon σ+ alueella, optinen pumppaus siirtää sen +½-tilaan, jossa sen sisäinen energia on alhainen, mutta se liikkuu silti hitaammin. Sitten prosessi toistuu: siirrytään kohti σ:tä-, hidastaa, pumppaa optisesti arvoon –½ jne.

Sisyphuksen palkinnot

Sisyphus-jäähdytyksen taustalla oleva teoria tekee konkreettisia ennusteita minimilämpötiloista ja siitä, kuinka ne riippuvat laserin virityksestä ja magneettikentästä. Nämä ennusteet vahvistettiin nopeasti laboratorioissa ympäri maailmaa. Syksyllä 1989 Journal of the Optical Society of America B julkaisi erikoisnumeron laserjäähdytyksestä joka sisältää kokeellisia tuloksia Phillipsin Gaithersburgin ryhmästä, Sisyphus-teoria Pariisista ja yhdistetyn kokeellisen ja teoreettisen paperin Chun ryhmältä, joka oli siihen mennessä siirtynyt Bell Labsista Stanfordin yliopistoon Kaliforniaan. Suurimman osan seuraavasta vuosikymmenestä tätä erikoisnumeroa pidettiin lopullisena lähteenä opiskelijoille, jotka haluavat ymmärtää laserjäähdytystä, ja Cohen-Tannoudji ja Chu jatkoivat jakamista 1997 Nobelin fysiikan palkinto Phillipsin kanssa.

Rajaansa käytettynä Sisyphus-ilmiö voi jäähdyttää atomeja pisteeseen, jossa niillä ei enää ole tarpeeksi energiaa kiivetä edes yhteen "mäkeen", vaan ne rajoittuvat sen sijaan yhden polarisaation pienelle alueelle. Tämä rajoitus on yhtä tiukka kuin loukkuun jääneille ioneille, mikä tekee laserjäähdytyksen kahdesta haarasta mukavan symmetrisiä. 1990-luvun alkuun mennessä loukkuun jääneet ionit ja neutraalit atomit voitiin molemmat jäähdyttää tilaan, jossa niiden kvanttiluonne tulee ilmeiseksi: yksi ioni ansassa tai atomi Sisyphuksen jäähdytyksessä syntyneessä "kaivossa" voi olla olemassa vain tietyssä erillisessä energiassa. valtioita. Nämä erilliset tilat mitattiin pian molemmille järjestelmille; nykyään ne ovat olennainen osa atomien ja ionien kvanttilaskentaa.

Toinen kiehtova tutkimussuunta koski itse kaivoja. Näitä syntyy, kun valonsäteet häiritsevät, ja niitä esiintyy luonnollisesti suurissa ryhmissä, joiden väli on puolet laseraallonpituudesta. Näiden niin kutsuttujen optisten hilojen jaksollinen luonne jäljittelee kiinteän aineen mikroskooppista rakennetta, jossa atomit toimivat elektroneina kidehilassa. Tämä samankaltaisuus tekee loukkuun jäävistä atomeista hyödyllisen alustan tiivistyneiden aineiden fysiikan ilmiöiden, kuten suprajohtavuuden, tutkimiseen.

Jotta suprajohtavuutta voitaisiin todella tutkia kylmillä atomeilla, hila on kuitenkin ladattava atomeilla suuremmalla tiheydellä ja jopa alhaisemmalla lämpötilalla kuin mitä voidaan saavuttaa Sisyphus-jäähdytyksellä. Kuten osasta 3 näemme, sinne pääseminen vaatisi vielä uusia työkaluja ja tekniikoita ja avaisi mahdollisuuden luoda paitsi tunnettujen järjestelmien analogeja, myös täysin uusia aineen tiloja.

  • Osa 3 laserjäähdytyksen historiasta Chad Orzel julkaistaan ​​pian Fysiikan maailma

Aikaleima:

Lisää aiheesta Fysiikan maailma