A leghidegebb: egy Einsteinnek írt levél és a lézeres hűtési technológia fejlődése hogyan vezette a fizikusokat az anyag új kvantumállapotaihoz – Physics World

A 20. század utolsó két évtizede során az atomfizikusok ismételten megdöntötték a világegyetem leghidegebb hőmérsékleti rekordját. Ezek az eredmények néhány előrelépésen alapultak, beleértve a lézeres hűtést (amint azt a rész 1 a mágneses-optikai csapda és az olyan technikák, mint például a Sisyphus-hűtés, amelyek a vártnál jobban működtek (amint azt a rész 2). 1990-re a fizikusok rutinszerűen több tízmillió atomot hűtöttek le néhány tíz mikrokelvinnel az abszolút nulla feletti hőmérsékletre – ez ezerszer hidegebb volt, mint a hagyományos kriogenika, és a „Doppler-hűtési határ” töredéke, amelyet az egyszerű atomok lézeres hűtésére jósolnak.

Bármilyen drámai is volt ez a zuhanás, a hőmérséklet még nagyobb kihívást jelentő csökkenése hívott magához: további 1000-es faktor mikrokelvinről nanokelvinre. Ez a további csepp a fizika egy új, kvantumdegeneráció néven ismert birodalmát vezetné be. Itt az alacsony hőmérséklet és a nagy sűrűség az atomokat a két egzotikus állapot egyikébe kényszeríti: vagy a Bose-Einstein kondenzátum (BEC), amelyben a gáz összes atomja ugyanabba a kvantumállapotba egyesül, vagy egy degenerált Fermi-gáz (DFG), amelyben a gáz összenergiája megáll, mert az összes rendelkezésre álló energiaállapot megtelt (1. ábra).

A BEC-ek és a DFG-k tisztán kvantumjelenségek, és egy atom teljes spinje határozza meg, hogy melyikük fog kialakulni. Ha az atomnak páros számú elektronja, protonja és neutronja van, akkor bozonról van szó, és áteshet BEC-en. Ha az összeg páratlan, akkor ez egy fermion, és DFG-t hozhat létre. Ugyanazon elem különböző izotópjai néha ellentétes módon viselkednek – a fizikusok lítium-7-ből BEC-eket és DFG-ket készítettek lítium-6-tal –, és ez az alacsony hőmérsékleti viselkedésbeli különbség az egyik legdrámaibb bizonyítéka a kvantumrészecskék közötti alapvető megosztottságnak.

A sorozatban leírt korábbi áttörésekhez hasonlóan a kvantumdegeneráció felé való merülés a világszerte szétszórt kutatólaboratóriumokban bevezetett új technológiáknak köszönhető. És – a korábbi fejlesztésekhez hasonlóan – az egyik ilyen technológia teljesen véletlenül érkezett.

Lézeres hűtés olcsón

Az 1980-as évek közepén Carl Wieman céziumatomok paritássértését tanulmányozta a Colorado Egyetemen, Boulderben, az Egyesült Államokban. Ezek a vizsgálatok időigényes és igényes spektroszkópiai méréseket igényelnek, és Wieman PhD hallgatója Gazdag Watts kifejlesztett egy módszert arra, hogy diódalézereket használjon, mint amilyeneket milliók gyártanak CD-lejátszókhoz.

Miután éveket töltött azzal, hogyan stabilizálja és irányítsa ezeket az olcsó, szilárdtest-eszközöket, Watts (meglehetősen ésszerűen) be akarta fejezni a doktoriját, ezért Wiemannal körülnéztek egy rövidebb távú kísérlet után, hogy teszteljék őket. A válasz a lézeres hűtés volt. „Ez volt a mulatságos kis mellékes dolog, hogy befejezzem ennek a diáknak a szakdolgozatát – emlékszik vissza Wieman –, és teljesen így kerültem a [lézeres hűtésbe].”

1986-ban Watts és Wieman lett a először lézerrel lehűteni a céziumatom sugarát. Watts volt az első, aki posztdoktoriként lézerhűtött rubídiumot Hal Metcalf a Stony Brook Egyetemen New Yorkban, és részt vett azokban az alapkísérletekben, amelyek feltárták a Doppler alatti hűtést Bill PhillipsLaboratóriuma az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézetében (NIST) a marylandi Gaithersburgban. Azonban, mint egy másik kulcsjátékos, akivel ebben a történelemben találkozni fogunk, Watts túl korán hagyta el a színpadot, mindössze 39 évesen halt meg 1996-ban.

Eközben Wiemannak új tudományos célpontra volt szüksége, olyasmire, amit csak hideg atomokkal lehet megvalósítani. Új kollégákkal és versenyzőkkel együtt egy nagyon régi, kifogástalan tudományos származású ötletben találta meg: Bose–Einstein kondenzációban.

Verseny az aljára

in 1924 Satyendra Nath Bose fizikus volt a Dhaka Egyetem a mai Banglades területén. Miközben a kvantumfizika új és gyorsan fejlődő területét tanította, rájött, hogy Max Planck képlete a forró objektum fényspektrumára a fotonok viselkedését szabályozó statisztikai szabályokból származtatható, amelyek sokkal valószínűbbek, mint a klasszikus részecskék. ugyanazokban az államokban találhatók.

Bose nehezen tudta kiadni munkáját, ezért elküldött egy példányt Albert Einsteinnek, aki annyira szerette, hogy megszervezte. kiadva Zeitschrift für Physik egy saját papír mellé. Einstein közreműködése között szerepelt a fotonstatisztikának kiterjesztése más típusú részecskékre (beleértve az atomokat is), és rámutatott egy érdekes következményre: nagyon alacsony hőmérsékleten a rendszer legvalószínűbb állapota az, hogy minden részecske ugyanazt az energiaállapotot foglalja el.

Ezt a kollektív állapotot ma BEC-nek nevezik, és szorosan összefügg a szuperfolyékonysággal és a szupravezetéssel, amelyek folyadékokban és szilárd anyagokban (illetve) abszolút nulla közelében lévő hőmérsékleten figyelhetők meg. Maga a BEC-átmenet azonban elvileg megtörténhet az atomokból álló híg gázban – akárcsak az atomfizikusok az 1970-es években.

Volt azonban néhány akadály. Az egyik az, hogy a kritikus hőmérsékletet, amelyen a BEC kialakul, a sűrűség határozza meg: minél kisebb a sűrűség, annál alacsonyabb a kritikus hőmérséklet. Bár a sziszifuszi hűtés lehetővé tette a mikrokelvin-hőmérsékletet, a lézerhűtésű atomgőzök annyira diffúzok, hogy átmeneti hőmérsékletük még alacsonyabb, a nanokelvin tartományba esik. Alacsonyabb, mint az egyetlen fotont elnyelő vagy kibocsátó atomok „visszarúgási hőmérséklete”. A határérték alá történő hűtést ezért lézerek nélkül kell végezni.

Egyszerre egy párologtatás

Az általános megoldás ezekre a problémákra származott Kleppner Dániel és kollégái a Massachusetts Institute of Technology-ban (MIT). Hasonló ahhoz a mechanizmushoz, amely egy csésze teát hűt. A teában lévő vízmolekulák különböző sebességgel mozognak, és a leggyorsabbaknak elegendő energiájuk van ahhoz, hogy kiszabaduljanak és vízgőzként lebegjenek. Mivel ezek a „menekülők” az átlagosnál nagyobb mennyiségű energiát hordoznak, a megmaradt molekulák végül hidegebbek lesznek. Miután a mozgásukban lévő energia újraeloszlik a molekulák közötti ütközések révén, a rendszer alacsonyabb hőmérsékleten új egyensúlyba kerül (2. ábra).

Kleppner módszere párolgásos hűtésként ismert, és két elemet igényel: egy olyan eszközt, amely szelektíven eltávolítja a legforróbb atomokat a csapdából, és az atomok közötti ütközések arányát, amely elég magas ahhoz, hogy a minta utána újra egyensúlyba kerüljön. Az első elem kéz a kézben jelent meg a fotonvisszapattanási probléma megoldásával: az atomok „sötétben” tarthatók, ha egy magneto-optikai csapdából (MOT) egy tisztán mágneses csapdába helyezzük át őket, mint amilyet Phillips először készített. 1983-ban. A „forró” atomok nagyobb energiája nagyobb mágneses mezőt igényel, hogy behatárolja őket, és ez a nagy mágneses tér Zeeman-eltolódást idéz elő az atomok energiaszintjében. Egy megfelelően behangolt rádiófrekvenciás jel így a „forró” atomokat ezen a magas mezőn csapdamentes állapotba tudja fordítani anélkül, hogy a hidegebbeket megzavarná. A visszamaradt hidegebb atomok is kisebb térfogatra korlátozódnak, így a hőmérséklet csökkenésével a sűrűség növekszik, így a rendszer két módon is közelebb kerül a BEC-hez.

Az ütközés kérdése azonban kikerült a kísérletezők kezéből. A vonatkozó sebességet egyetlen paraméter írja le: az úgynevezett szórási hossz egy pár ütköző atom esetében bizonyos állapotokban. Ha ez a szórási hossz közepesen nagy és pozitív, akkor a párolgás gyorsan megy végbe, és a keletkező kondenzátum stabil lesz. Ha a szórási hossz túl kicsi, a párolgás nagyon lassú lesz. Ha negatív, a kondenzvíz instabil lesz.

A kézenfekvő megoldás egy megfelelő szórási hosszúságú atom kiválasztása, de ezt a paramétert az első elvek alapján rendkívül nehéz kiszámítani. Ezt empirikusan kell meghatározni, és az 1990-es évek elején senki sem végezte el a szükséges kísérleteket. Következésképpen azok a csoportok, amelyek elkezdték a BEC-t űzni, más-más elemet választottak a periódusos rendszerből, és abban reménykedtek, hogy az „övék” „igaznak” bizonyulhat. Wieman és új kollégája Eric Cornell sőt céziumról rubídiumra váltottak, mert a rubídium két stabil izotópja megduplázta esélyeiket.

"Ez soha nem fog működni"

Mivel a MOT pusztán mágneses csapdává alakítható egyszerűen a lézerek kikapcsolásával és több árammal a mágnestekercseken keresztül, a BEC felé tett első lépések a lézeres hűtési kísérletek egyenes kiterjesztése volt. Az így létrejövő „kvadrupól csapda” konfigurációnak csak egy nagy problémája van: a csapda közepén lévő mező nulla, nulla mezőnél pedig az atomok belső állapotukat olyanra változtathatják, amely már nem csapdába esik. Az atomok „szivárgásának” a csapdaközpontból való eltöméséhez meg kell találni a módját, hogy megakadályozzuk a csapdába esett atomok állapotának megváltoztatását.

Több éven át ez volt a lézeres hűtéssel kapcsolatos kutatások egyik fő területe. Az erősödő BEC-verseny egyik fő esélyese Cornell és Wieman mellett a Wolfgang Ketterle, az MIT-től. Csoportja kifejlesztett egy módszert arra, hogy az atomokat a zéró mező tartományától távolítsa el egy kékre hangolt lézer segítségével, amely a csapda közepére fókuszált „dugóként”. Cornell és Wieman a maguk részéről egy teljesen mágneses technikát használtak, amelyet időkeringési potenciál (TOP) csapdának neveztek.

Cornell a TOP-ot egy 1994 eleji konferenciáról induló repülésen dolgozta ki, részben az a motiváció, hogy korlátozzák a berendezésük zavarását. Bár neki és Wiemannek nem volt helye másik lézersugárnak, egy kis extra tekercset tudtak hozzáadni a kvadrupól tekercsekre merőleges tengely köré, és ez eltolná a nulla mező helyzetét. A csapdában lévő atomok természetesen az új nulla felé mozognának, de nem gyorsan. Ha két kis tekercset használnak különböző tengelyeken, amelyeket oszcilláló áramok hajtanak meg, hogy másodpercenként néhány százszor elmozdítsák a nullát egy körben, akkor ez elég lehet ahhoz, hogy Cornell szavaival élve „mindenhol, ahol nincsenek atomok” maradjon.

Azon a nyáron tesztelték az ötletet egy olcsó hangerősítő által meghajtott kis tekercs segítségével. A hozzáadott mező eleinte riasztóan zörgött az üveggőzcellájuk köré tekercselt tekercsek, a meghajtott tekercsek pedig átható, magas hangú nyöszörgést adtak, de az elv hangos volt, ezért építettek egy masszívabb változatot. Néhány hónappal később, 1995 elején Cornell csapda-sémákat tárgyalt Ketterle-lel, és úgy gondolta, hogy az MIT-csapat optikai csatlakozója „soha nem fog működni. Alapvetően egy nagy, öreg pálca lesz, ami oda mutat.” Azt azonban elismeri, hogy Ketterle ugyanezt érezhette a TOP-pal kapcsolatban: „Valószínűleg arra gondol, hogy „Ez a legostobább ötlet, amit életemben hallottam.” Így mindketten nagyon elégedetten távoztunk a beszélgetésből.”

Amint megtörtént, mindkét technika működött. Cornell és Wieman volt az első, aki ezt demonstrálta, és kísérletsorozatot hajtottak végre, amelyben lézersugarat világítottak át hideg atomfelhőjükön. E „pillanatfelvételek” során a felhőben lévő atomok elnyelik a lézer fotonjait, árnyékot hagyva a sugárban. Ennek az árnyéknak a mélysége a felhő sűrűségének mértéke, míg a felhő mérete az atomok hőmérsékletét jelezte. A párolgás előrehaladtával a pillanatfelvételek gömbszimmetrikus atomfelhőt mutattak, amely lassan zsugorodik és lehűl, ahogy a forró atomokat fokozatosan eltávolították.

Aztán 1995 júniusában 170 nanokelvin körüli hőmérsékleten valami drámai dolog történt: képeik közepén egy kis sötét folt jelent meg, amely drasztikusan alacsonyabb hőmérsékletű és nagyobb sűrűségű atomokat ábrázol. Cornell azt mondja, nem tartott sokáig, hogy kitaláljuk, mi történik: „A központi sűrűség csak felfelé ível. Mi történik ott, ha nem Bose–Einstein kondenzáció?”

Gyanújuk igazolására ő és Wieman néhány árnyékképet átalakítottak a mára ikonikussá vált háromdimenziós grafikonokká (lásd: „A legmenőbb eredmény” kép), amelyek a hőatomokat széles talapzatként, a BEC-t pedig egy „tüskeként” mutatják be. a központ. A tüske alakja – egyik irányban szélesebb, mint a másik – nyomot kódolt. Mivel a TOP csapdájuk függőleges irányban erősebb volt, mint a vízszintesben, a kondenzátum ebben az irányban erősebben összenyomódott, ami azt jelenti, hogy a felszabadulás után gyorsabban tágul ebbe az irányba. Bár nem jósolták meg ezt az alakváltozást, gyorsan meg tudták magyarázni, növelve önbizalmukat, hogy elérték a BEC „szent grálját”.

Cornell és Wieman 1995. június elején sajtótájékoztatón jelentették be eredményeiket (az akkoriban szokatlan módon). Tudomány a következő hónapban. Szeptemberben Ketterle és munkatársai elkészítették saját 3D-s diagramjukat, amelyek hasonló „tüskét” mutattak ki, amint a nátriumatomfelhő elérte az átmeneti hőmérsékletet. Cornell, Wieman és Ketterle tovább osztotta a 2001-es fizikai Nobel-díj a BEC eléréséhez híg atomgőzökben.

A fermionok megkapják a bajnokukat

1995 első hónapjaiban Cornell új posztdoktorit vett fel, Deborah "Debbie" Jin. Férje, John Bohn, a boulderi NIST fizikusa így emlékszik vissza Cornellre: „Sokan azt mondják neked, hogy a BEC még évekig hátravan, de én tényleg azt gondolom, hogy meg fogjuk tenni.” Igaza volt: az első BEC akkor történt, amikor Jin beleegyezett, hogy elvállalja a munkát, és amikor elkezdett dolgozni.

Jin egy másik kutatói közösségből származott – diplomamunkája egzotikus szupravezetőkről szólt –, de gyorsan megismerte a lézereket és az optikát, és kulcsszerepet játszott a BEC tulajdonságait vizsgáló korai kísérletekben. Feltörekvő csillagként számos állandó állásajánlatot kapott, de úgy döntött, marad a JILA-ban, egy hibrid intézményben, amely egyesíti a Colorado Egyetem és a NIST szakértelmét. Ott, hogy megkülönböztesse munkáját Cornell és Wieman munkáitól, úgy döntött, hogy az ultraalacsony hőmérsékleten való viselkedés másik osztályát folytatja: a degenerált Fermi-gázokat.

Ahol a bozonokat olyan statisztikai szabályok szabályozzák, amelyek valószínűbbé teszik, hogy közülük kettő ugyanabban az energiaállapotban legyen, a fermionoknak teljesen tilos megosztani az állapotokat. Az elektronokra alkalmazva ez a Pauli-kizárási elv, amely a kémia nagy részét megmagyarázza: az atomban lévő elektronok „töltik fel” a rendelkezésre álló energiaállapotokat, az utolsó elektronok pontos állapota pedig meghatározza az adott elem kémiai tulajdonságait. A mágneses csapdában lévő fermionos atomok hasonló szabálynak engedelmeskednek: a gáz lehűlésével a legalacsonyabb állapotok töltődnek fel. Egy ponton azonban az összes alacsony energiájú állapot megtelik, és a felhő nem zsugorodik tovább. A BEC-hez hasonlóan ez is egy tisztán kvantumjelenség, semmi köze a részecskék közötti kölcsönhatásokhoz, így ultrahideg atomokból álló gázban is megfigyelhetőnek kell lennie.

Jin 1997-ben kezdett a JILA-nál egyetlen végzős hallgatóval, Brian DeMarco, akit Cornell bérelt fel, de Cornell ajánlására Jinnel dolgozott együtt. Ahogy DeMarco emlékszik vissza, Cornell azt mondta neki: „Ha te és Debbie lehetsz az elsők, akik elkészítik a DFG-t, az nagy dolog lesz, és van egy jó lehetőség a megvalósítására.”

A pár egy üres laborral kezdte, ahol még bútorok sem voltak. Bohn felidézi, hogy a földön ültek Jinnel közös irodájában, és elektronikát szereltek össze jövőbeli lézereikhez. Egy éven belül azonban rendelkeztek egy működő berendezéssel a fermionos káliumatomok mágneses csapdázására és párolgásos hűtésére.

A DFG-re való törekvés a BEC-versenyen túlmutató kihívások elé állít. Ezek közül az első, hogy ultraalacsony hőmérsékleten a párolgásos hűtés újraegyensúlyozási lépéséhez szükséges ütközések megszűnnek, mert a két fermion azonos állapotának tilalma megakadályozza az ütközést. Ennek megoldására Jin és DeMarco az atomjaik felét más belső állapotba helyezte, ami elegendő keresztirányú ütközést biztosít a párolgáshoz. A folyamat végén eltávolíthatják a két állapot egyikét, és leképezhetik a többit.

A második probléma az, hogy míg a BEC kísérleti jele egy óriási sűrűségcsúcs az atomfelhő közepén, addig a Fermi-degeneráció finomabb. Az atomok összetapadását megtagadó kulcsjelenség drámai módon abban nyilvánul meg, hogy a felhő tovább zsugorodik, amint elérte az átmeneti hőmérsékletet. Annak kidolgozása, hogyan lehet megkülönböztetni a degenerált gázt a hőfelhőtől, gondos modellezést és egy olyan képalkotó rendszert igényelt, amely megbízhatóan mérni tudta az eloszlás alakjának apró változásait.

Atomokból álló Fermi-gáz

E kihívások ellenére, mindössze 18 hónappal azután, hogy üres helyiséggel kezdtek, Jin és DeMarco közzétették az első megfigyelést egy degenerált Fermi-gázról. Néhány évvel később a Ketterle által vezetett csapatok, Randy Hulet a Rice Egyetemen, Christophe Salomon a párizsi ENS-nél és John Thomas a Duke Egyetemen, ezt követte.

Jin eközben lézereket és mágneses mezőket használt a degenerált atomok molekulákká történő átalakítására, új határokat nyitva meg az ultrahideg kémiában. Ezt a munkát számos elismerésben részesítették, többek között a A MacArthur Alapítvány „zseniális ösztöndíja”, a I I Rabi-díj az Amerikai Fizikai Társaságtól (APS) és a Isaac Newton-érem a Fizikai Intézettől. Jin is esélyes lett volna egy újabb Nobel-díjra ultrahideg atomfizikában, de sajnos 2016-ban rákban halt meg, és a díjat nem posztumusz adják át.

A díjakon túl azonban Jin öröksége jelentős. Az általa elindított részterület az atomfizika egyik legfontosabb területévé nőtte ki magát, és egykori tanítványai és kollégái továbbra is az ultrahideg fermionok kutatását vezetik. A mentorálás iránti elkötelezettsége elismeréseként az APS éves Deborah Jin-díjat adományozott az atom-, molekula- vagy optikai fizika területén végzett kiemelkedő doktori téziskutatásért.

A folyamatos felfedezés története

Ez a sorozat valamivel több mint fél évszázadot ölel fel. Ezalatt az idő alatt a lézerek atomok manipulálására vonatkozó ötlete a Bell Labs egyetlen fizikusának tétlen kíváncsiságából a legmodernebb fizika hatalmas skálájának alaptechnikájává vált. A lézerhűtéses ionok ma a kvantuminformáció-tudomány fejlődésének egyik legfontosabb platformja. A lézerhűtéses semleges atomok adják a világ legjobb atomóráinak alapját. A Cornell, Wieman, Ketterle és Jin által először megfigyelt kvantumdegenerált rendszerek pedig egy hatalmas részterületet hoztak létre, amely összeköti az atomfizikát a kondenzált anyag fizikával és kémiával. A lézerhűtéses atomok továbbra is létfontosságúak a fizikai kutatásban, és naponta írnak új történelmet a laboratóriumokban szerte a világon.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/coldest-how-a-letter-to-einstein-and-advances-in-laser-cooling-technology-led-physicists-to-new-quantum-states-of-matter/