Colder: hogyan lépték át a fizikusok a lézeres hűtés elméleti határát, és fektették le a kvantumforradalom alapjait – Physics World

Az 1960-as évek végén a kutatók egy kis közössége elkezdte a fényből származó erőket használni, hogy kis tárgyakat toljon körül. A következő évtizedben a terület kibővült a lézeres hűtéssel, egy olyan hatékony technikával, amely kihasználja a Doppler-váltás olyan erő létrehozására, amely csak lelassítja a tárgyakat, és soha nem gyorsítja fel őket. Ahogy teltek az évek, ezek az új lézeres hűtési kísérletek a két párhuzamos pálya – az ionok és az atomok – mentén fejlődtek ki. sorozat 1. része: „Hideg: hogyan tanulták meg a fizikusok a részecskéket lézeres hűtéssel manipulálni és mozgatni”.

Az ionok sok szempontból korai előnyökkel jártak. Elektromos töltésük miatt elektromágneses erőket érnek el, amelyek elég erősek ahhoz, hogy magas hőmérsékleten elektromágneses csapdákba kerüljenek, és ultraibolya hullámhosszon lézerrel lehűtsék őket. 1981-re az ioncsapdák odáig finomították ezt a technikát, hogy az egyes ionokat csapdába ejtsék és észleljék, és példátlan pontossággal végezzék el rajtuk a spektroszkópiát.

Ezzel szemben az atomokat le kell lassítani, mielőtt a fény- és mágneses mezők által kifejtett gyengébb erők befoghatják őket. Mégis, 1985-ig Bill Phillips és kollégái a Amerikai Nemzeti Szabványügyi Hivatal A marylandi Gaithersburgban fényt használtak arra, hogy a nátriumatomok sugarát majdnem lelassítsák, majd mágneses csapdába zárták őket. Ezen túlmenően a leendő atomszelídítők számára a fő kihívás az volt, hogy erre a munkára építsenek a semleges atomok csapdázásának hatékonyabbá tétele érdekében, és magának a hűtési folyamatnak a határait feszegessék.

Mindkét projekt minden várakozást felülmúlna. És ahogy az 1. részben láttuk, ennek a sikernek a gyökerei visszanyúlnak Arthur Ashkin at Bell Labs.

Jó ötlet, nem megfelelő kivitelezés

Amikor utoljára találkoztunk Ashkinnal, az 1970-ben volt, és éppen kifejlesztette az „optikai csipesz” technikát, amely közel 50 évvel később Nobel-díjat kapott. Az 1970-es évek végére a Bell Labs munkatársaival atomsugárral végzett kísérleteken dolgozott. "Rick Freeman volt egy atomsugaras gépem, és voltak olyan kísérleteim, amelyeket érdekes lenne atomsugárral végezni, de nem voltam túl lelkes az atomsugár-gép megépítésében” – emlékszik vissza Ashkin akkori munkatársa, John Bjorkholm.

A lézersugár és az atomsugár átfedésével Ashkin és Bjorkholm megmutatta, hogy lehetséges az atomok fókuszálása vagy defókuszálása a fény frekvenciájának beállításával. A vörösre hangolt lézerrel – valamivel alacsonyabb frekvencián, mint amennyit az atomok „akarnak” elnyelni – az atomok és a fény közötti kölcsönhatás csökkentené az atomok belső energiáját (a „fényeltolódás”), ami az atomokat a lézersugárba vonná. A kékre hangolt lézerrel az atomok kiszorultak.

Ashkinnek több ötlete is volt arra vonatkozóan, hogy ezt a jelenséget „teljesen optikai” módszerré alakítsa az atomok befogására (vagyis Phillips csoportja által használt mágneses mezők nélkül). Sajnos Ashkin és Bjorkholm nehezen tudta megvalósítani, mert Freeman atomsugara olyan plexi ablakokkal készült, amelyek nem bírtak elég alacsony nyomást. A kívülről beszivárgó atomokra, molekulákra a hűtőlézerek nem voltak hatással, ennek következtében a sugárban lévő atomokkal ütközve kirúgták a célatomokat a csapdából. Néhány év kiábrándító eredmények után a Bell Labs vezetése elkeseredett a kísérleteken, és arra késztette Ashkint, hogy más dolgokkal foglalkozzon.

Úszók viszkózus folyadékban

Ez idő tájt egy fiatal kutató, aki „olyan fickónak nevezte magát, aki nehéz kísérleteket tud végezni” hírében állt, beköltözött egy Ashkin közelében lévő irodába, a Bell Labs holmdeli létesítményébe. A neve az volt Steve Chu, és érdeklődni kezdtek Ashkin ötletei iránt. Együtt felépítettek egy ultramagas vákuumrendszert, amely alkalmas atomok hűtésére és befogására, valamint egy olyan rendszert, amely lassítja a nátriumatomokat a lézerfrekvencia gyors söprésével, hogy kompenzálja a változó Doppler-eltolódást. Ez utóbbi technikát „csiripelő hűtésnek” nevezik; A szerencsés véletlennek köszönhetően az egyik kulcstechnológiát kifejlesztő tudósok is a Holmdelnél voltak.

Ezen a ponton Chu azt javasolta, hogy hűtsék le az atomokat úgy, hogy három egymásra merőleges pár ellenterjedő lézersugárral világítják meg őket, amelyek mindegyike az atomok átmeneti frekvenciája alatti frekvenciára van hangolva, amint azt az 1. részben tárgyaltuk. Ez a konfiguráció hűtőerőt biztosít. mindhárom dimenzióban egyszerre: egy felfelé mozgó atom a Doppler lefelé irányuló lézersugarat felfelé tolva látja, fotonokat nyel el és lelassul; egy balra mozgó atom látja a fotonokat a jobbra tartó nyalábban felfelé tolva, és így tovább. Nem számít, milyen irányban mozognak az atomok, éreznek egy erőt, amely ellentétes a mozgásukkal. A viszkózus folyadékban úszó úszó helyzetéhez való hasonlóság miatt Chu „optikai melasznak” nevezte (1. ábra).

A Bell Labs csapata 1985-ben optikai melaszt mutatott be, atomok ezreit gyűjtve össze egy csipogós hűtésű sugárból. Ahogy a névhez illik, az optikai melasz nagyon „ragadós” volt, körülbelül egy tizedmásodpercig (az atomfizikában gyakorlatilag egy örökkévalóságig) tartotta az atomokat az egymást átfedő nyalábokban, mielőtt kivándoroltak volna. Míg a melasz régióban az atomok folyamatosan elnyelik és újra kibocsátják a hűtőlézerek fényét, így szórt, izzó felhőként jelennek meg. A teljes fénymennyiség egyszerű mérést adott az atomok számáról.

Ashkin, Chu és munkatársaik meg tudták becsülni az atomok hőmérsékletét is. Ezt úgy tették, hogy megmérték, hány atom van a melaszban, rövid időre lekapcsolták a lámpát, majd visszakapcsolták és újra megmérték a számot. A sötét időszak alatt az atomfelhő kitágul, és néhány atom kikerül a melasznyalábok tartományából. Ez a szökési sebesség lehetővé tette a csapat számára, hogy kiszámítsa az atomok hőmérsékletét: körülbelül 240 mikrokelvin – pontosan összhangban a lézerhűtéses nátriumatomok várható minimumával.

A melasz csapdává alakítása

Ragadóssága ellenére az optikai melasz nem csapda. Bár lelassítja az atomokat, miután az atomok a lézersugarak széléhez sodródnak, elszabadulhatnak. Ezzel szemben a csapda a helyzettől függő erőt ad, visszaszorítva az atomokat egy központi tartományba.

A csapda létrehozásának legegyszerűbb módja egy szorosan fókuszált lézersugár, hasonlóan a mikroszkopikus tárgyak befogására kifejlesztett Ashkin optikai csipeszhez. Míg a lézerfókusz térfogata a melasz térfogatának parányi töredéke, Ashkin, Bjorkholm és (függetlenül) Chu rájött, hogy a melaszban való véletlenszerű diffúzió révén jelentős számú atom halmozódhat fel egy ilyen csapdában. Amikor külön, csapdázó lézersugarat adtak a melaszhoz, az eredmények ígéretesek voltak: a diffúz melaszfelhőben egy kis fényes folt jelent meg, amely több száz csapdába esett atomot képvisel.

Ennek túllépése azonban technikai kihívásokat jelentett. A probléma az, hogy az atomenergia-szintek eltolódása, amely lehetővé teszi az egysugaras optikai csapdázást, hátráltatja a hűtési folyamatot: amikor a befogólézer csökkenti az atom alapállapotának energiáját, megváltoztatja a hűtőlézer effektív frekvencia-elhangolását. Egy második lézer használata, valamint a hűtés és a csapdázás közötti váltakozás növeli a befogható atomok számát, de további bonyolultság árán. A további fejlődéshez a fizikusoknak hidegebb atomokra vagy jobb csapdára van szükségük.

A francia kapcsolat

Mindketten a láthatáron voltak. Claude Cohen-Tannoudji és csoportja a párizsi École Normale Supérieure-ben (ENS) elsősorban a lézeres hűtéssel foglalkozott elméleti oldalról. Jean Dalibard, majd a csoportban újonnan vert PhD, emlékszik arra, hogy Ashkin elméleti elemzéseit tanulmányozta és Jim Gordon („egy fantasztikus lap”) és a szovjet páros, VLadilen Letokhov és Vlagyimir Minogin, aki (Borisz D. Pavlikkal) 1977-ben származtatta a lézeres hűtéssel elérhető minimális hőmérsékletet.

Ahogy az 1. részben láttuk, ezt a minimális hőmérsékletet Doppler-hűtési határnak nevezik, és azokból a véletlenszerű „rúgásokból” ered, amelyek akkor következnek be, amikor az atomok újra kibocsátják a fotonokat, miután elnyelték a fényt az egyik hűtősugárból. Érdekelve, hogy ez a „határ” valójában mennyire szilárd, Dalibard módot keresett arra, hogy az atomokat a lehető legjobban „sötétben” tartsa. Ehhez a valós atomok egy olyan tulajdonságát használta ki, amelyet a Doppler-féle hűtési elmélet nem ragad meg: a valódi atomi állapotok nem egyetlen energiaszintek, hanem azonos energiájú, de eltérő szögmomentumú részszintek gyűjteményei (2. ábra).

Ezek a különböző alszintek vagy lendületi állapotok megváltoztatják az energiát mágneses tér jelenlétében (a Zeeman-effektus). Ahogy a mező erősödik, egyes állapotok növekszik, míg mások csökkennek. Ezek a szerepek megfordulnak, amikor a mező iránya megfordul. További bonyolító tényező, hogy a lézerfény polarizációja határozza meg, hogy mely alszintek nyeljék el a fotonokat. Míg az egyik polarizáció úgy mozgatja az atomokat az állapotok között, hogy növeli a szögimpulzust, a másik csökkenti azt.

Elméleti elemzésében Dalibard ezeket az alszinteket egy olyan mágneses térrel kombinálta, amely bizonyos pontokon nulla, és az atomok kifelé haladásával növekszik. Ezzel olyan helyzetet teremtett, hogy a hatékony lézerfrekvencia detuning az atomok helyzetétől függött. (Phillips és munkatársai hasonló konfigurációt használtak mágneses csapdájukhoz, de sokkal nagyobb térben.) Az atomok ezért csak abban a meghatározott helyzetben tudtak elnyelni egy adott lézerből, ahol a detuning, a Doppler-eltolás és a Zeeman-eltolás kombinációja megfelelő volt ( 3. ábra).

Dalibard abban reménykedett, hogy az atomok fényelnyelő képességének ilyen módon történő korlátozása csökkentheti minimális hőmérsékletüket. Miután kiszámolta, hogy nem, elvetette az ötletet. „Láttam, hogy csapda, de nem csapdát kerestem, hanem szub-Doppler hűtést” – magyarázza.

Lehet, hogy itt lett volna a vége, ha nem lett volna Dave Pritchard, a Massachusetts Institute of Technology fizikusa, aki 1986-ban meglátogatta a párizsi csoportot. A látogatás során Pritchard előadást tartott a nagyobb volumenű csapdák gyártására vonatkozó ötletekről, majd azzal zárta, hogy szívesen fogadna más – jobb – javaslatokat is.

„Elmentem Dave-hez, és azt mondtam: „Nos, van egy ötletem, és nem vagyok benne biztos, hogy jobb, de más, mint a tiéd” – emlékszik vissza Dalibard. Pritchard visszavitte Dalibard ötletét az Egyesült Államokba, és 1987-ben Chuval megépítették az első magneto-optikai csapdát (MOT) Dalibard elemzése alapján. Dalibardnak felajánlották, hogy társszerző legyen az elkészült dolgozatban, de örült, hogy egyszerűen elismerték az elismerésben.

Nehéz túlbecsülni, hogy a MOT milyen forradalmi volt a lézeres hűtés fejlesztésében. Ez egy viszonylag egyszerű eszköz, csak egyetlen lézerfrekvenciára és viszonylag gyenge mágneses mezőre van szükség ahhoz, hogy erős csapdákat hozzon létre. A legjobb az egészben azonban a kapacitása. Chu és Ashkin első teljesen optikai csapdája több száz atomot, Phillips első mágneses csapdája több ezret, de az első magneto-optikai csapda tízmillió atomot tartalmazott. Az olcsó dióda lézerek Carl Wieman által a Colorado Egyetemen történő bemutatásával együtt (erről bővebben a sorozat 3. részében) a MOT megjelenése gyors robbanásszerű növekedést indított el a lézeres hűtéssel foglalkozó csoportok számában világszerte. A kutatás üteme felgyorsulni készült.

Murphy törvénye szabadságot vesz igénybe

Amíg Pritchard és Chu az első MOT-t építették, Phillips és Gaithersburg kollégái rendkívül szokatlan problémába ütköztek optikai melaszokkal. A kísérleti fizika minden elvárásával ellentétben a melasz túl jól működött. Valójában még akkor is le tudná hűteni az atomokat, ha egyes sugarai részlegesen blokkolva vannak.

Ez a felfedezés részben azért történt, mert a lézeres hűtés Phillips mellékprojektje volt, ezért laborját egy gépműhelyhez kapcsolódó előkészítő helyiségben helyezték el. Annak elkerülése érdekében, hogy az üzlet por és zsír felhalmozódjon a labor vákuumrendszerén, a csoport tagjai éjszaka műanyag- vagy szűrőpapírral takarják le a rendszer ablakait. „Időnként kapni lehetett ezt az igazán torz kinézetű melaszt” – emlékszik vissza Paul Lett, aki 1986-ban csatlakozott a csoporthoz, „és akkor rájössz, hogy ó, nem vettük ki azt a szűrőpapírt. Figyelemre méltó, hogy egyáltalán működött.”

Ez a meglepő kitartás késztette Lett egy szisztematikusabb tanulmányozásra, beleértve egy új hőmérsékletméréssorozatot. A Bell Labs csoport által kifejlesztett „release-and-capture” módszer viszonylag nagy bizonytalansággal járt, ezért Phillips csoportja egy új módszert próbált ki, amely a melasz közelében elhelyezett szondanyalábon áthaladó atomok által kibocsátott fény detektálását jelentette. Amikor a melaszt kikapcsolták, az atomok elrepültek. A szonda eléréséig eltelt idő közvetlen mérést ad a sebességükről, így a hőmérsékletükről.

Mint minden lézeres hűtési kísérletnél, Phillips laboratóriuma is sok lencsét és tükröt csomagolt egy pici helyre, és a szonda elhelyezésének legkényelmesebb helye valamivel a melasz felett volt. Ennek megfelelően működnie kellett volna a Doppler-határsebességgel haladó atomoknál, de amikor Lett megpróbálta a kísérletet, egyetlen atom sem érte el a szondát. Végül kollégáival a szonda helyzetét a melasz alá helyezték, ekkor gyönyörű jelet láttak. Csak egy probléma volt: a Doppler-hűtési határ 240 mikrokelvin volt, de ez a „repülési idő” mérés 40 mikrokelvin hőmérsékletet mutatott.

Úgy tűnik, hogy ez az eredmény sérti Murphy törvényét, azt a mondást, hogy „ami elromolhat, az el is romlik”, ezért nem voltak hajlandóak azonnal elfogadni. Többféle technikával újramérték a hőmérsékletet, beleértve a javított kibocsátást és visszafogást is, de ugyanazt az eredményt kapták: az atomok sokkal hidegebbek voltak, mint az elmélet szerint lehetséges.

1988 elején Phillips és cége megkereste a lézeres hűtők szűk közösségének más csoportjait, és arra kérte őket, hogy ellenőrizzék a hőmérsékletet saját laboratóriumukban. Chu és Wieman gyorsan megerősítette a meglepő eredményt: az optikai melasz nemcsak az atomok hűtésére szolgált, hanem jobban is működött, mint az elmélet szerint működne.

Felmászni egy dombra

A párizsi csoportnak még nem volt kísérleti programja, de Dalibard és Cohen-Tannoudji elméletileg ugyanazon a valós tényezőn keresztül támadta meg a problémát, amelyet Dalibard a MOT kifejlesztéséhez használt: több belső atomállapot. A nátrium alapállapotának öt, azonos energiájú alszintje van, és az atomok eloszlása ​​ezek között a fény intenzitásától és polarizációjától függ. Ez az „optikai pumpálásnak” nevezett elosztási folyamat központi szerepet játszott a párizsi ENS-ben Cohen-Tannoudji vezetésével folyó spektroszkópiai kutatásban, így csoportja egyedülállóan alkalmas volt annak feltárására, hogy ezek a további állapotok hogyan javíthatják a lézerhűtést.

A legfontosabb jellemző a lézerfény polarizációja, amely a klasszikus fizikában a fény oszcilláló elektromos mezőjének tengelyének felel meg. A hat ellentétesen terjedő nyaláb kombinációja a polarizáció bonyolult eloszlását eredményezi, mivel a nyalábok különböző módon egyesülnek az optikai melasz különböző helyein. Az atomokat folyamatosan optikailag különböző konfigurációkba pumpálják, meghosszabbítva a hűtési folyamatot és lehetővé téve az alacsonyabb hőmérsékletet.

1988 nyarára Dalibard és Cohen-Tannoudji kidolgozott egy elegáns modellt a sub-Doppler hűtés magyarázatára. (Csu önállóan is hasonló eredményre jutott, amire úgy emlékszik, hogy két európai konferencia között vonaton vezette le.) Egy leegyszerűsített atomnak tekintettek, amelynek csak két alapállapotú alszintje van, amelyeket hagyományosan –½ és +½ jelzéssel látnak el, és két lézersugárral világítanak meg. ellentétes irányok ellentétes lineáris polarizációkkal. Ez olyan mintát hoz létre, amely két polarizációs állapot között váltakozik, σ-vel^- és σ⁺.

Egy atom a σ tartományban^- A polarizáció optikailag a –½ állapotba pumpálódik, ami nagy fényeltolódást tapasztal, ami csökkenti a belső energiáját. Ahogy az atom a σ felé halad⁺ A polarizációs tartományban a fényeltolódás csökken, és az atomnak le kell lassulnia, hogy kompenzálja, kinetikus energiát veszítve, hogy kompenzálja a belső energia növekedését, mint egy labda, amely felgurul a dombon. Amikor eléri a σ-t⁺ könnyű, optikai pumpálás hatására +½ állapotba kapcsol, aminek nagy fényeltolódása van. Az atom nem kapja vissza azt az energiát, amelyet a σ-ből a „dombra” felmászva elvesztett^- régióban, tehát lassabban halad, ahogy a folyamat újraindul: a fényeltolódás csökken, ahogy a következő σ felé halad.^- régióban, így energiát veszít, majd optikailag –½ felé pumpál, és így tovább.

Ez az energiavesztés folyamata a folytonos „dombok” mászásával élénk nevet adott: Dalibard és Cohen-Tannoudji Sziszifusznak nevezte a kihűlést, a görög mítoszban a király után, akit arra ítéltek, hogy az örökkévalóságon át egy sziklatömböt lökdössen fel a dombra, hogy a szikla megcsússzon. távolítsa el, és térjen vissza az aljára (4. ábra). Az optikai melasz atomjai hasonló helyzetben találják magukat, mindig hegyekre másznak, és energiát veszítenek, de az optikai szivattyúzás visszavezeti őket a mélyre, és arra kényszeríti őket, hogy újra kezdjék őket.

Sziszifusz jutalma

A Sziszifuszi hűtés mögött meghúzódó elmélet konkrét előrejelzéseket ad a minimális hőmérsékletekről, és arról, hogy ezek hogyan függnek a lézeres detuningtól és a mágneses tértől. Ezek a jóslatok gyorsan beigazolódtak a laboratóriumokban szerte a világon. 1989 őszén a Az Amerikai Optikai Társaság folyóirata B különszámot adott ki a lézeres hűtésről Phillips gaithersburgi csoportjának kísérleti eredményeit, a párizsi Sziszifusz-elméletet, valamint Chu csoportjának kombinált kísérleti és elméleti tanulmányát, amely addigra a Bell Labs-tól a kaliforniai Stanford Egyetemre költözött. A következő évtized nagy részében ezt a különszámot tekintették a lézeres hűtést megérteni vágyó hallgatók számára a végső forrásnak, Cohen-Tannoudji és Chu pedig megosztották a 1997-es fizikai Nobel-díj Phillipsszel.

Határáig a Sziszifusz-effektus lehűtheti az atomokat addig a pontig, ahol már nincs elegendő energiájuk egyetlen „dombra” való megmászáshoz, és ehelyett egyetlen polarizációs zónára korlátozódnak. Ez a bezárás ugyanolyan szoros, mint a befogott ionok esetében, így a lézeres hűtés két ága szépen szimmetrikus. Az 1990-es évek elejére a csapdába esett ionokat és a semleges atomokat is le tudták hűteni egy olyan rezsimre, ahol kvantumtermészetük nyilvánvalóvá válik: egyetlen ion a csapdában vagy egy atom a sziszifuszi hűtés során létrehozott „kútban” csak bizonyos diszkrét energiában létezhet. Államok. Ezeket a diszkrét állapotokat hamarosan mindkét rendszernél megmérték; manapság az atomokkal és ionokkal végzett kvantumszámítás elengedhetetlen részét képezik.

A kutatás további érdekes iránya maguk a kutak voltak. Ezek akkor jönnek létre, amikor a fénysugarak interferálnak, és természetesen nagy tömbökben fordulnak elő, a lézer hullámhosszának felével. Ezeknek az úgynevezett optikai rácsoknak a periodikus jellege a szilárd anyag mikroszkopikus szerkezetét utánozza, az atomok pedig az elektronok szerepét töltik be a kristályrácsban. Ez a hasonlóság a csapdába esett atomokat hasznos platformmá teszi a kondenzált anyagfizikai jelenségek, például a szupravezetés feltárásához.

A hideg atomok szupravezetésének valódi feltárásához azonban a rácsot nagyobb sűrűségű és még alacsonyabb hőmérsékletű atomokkal kell feltölteni, mint a Sziszifuszi hűtéssel. Ahogy a 3. részben látni fogjuk, az odajutáshoz újabb eszközökre és technikákra lenne szükség, és lehetőség nyílna nemcsak ismert rendszerek analógjainak, hanem teljesen új halmazállapotok létrehozására is.

• A lézeres hűtés történetének 3. része by Chad Orzel hamarosan közzétesszük Fizika Világa

• 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. Autóipar / elektromos járművek, Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• ChartPrime. Emelje fel kereskedési játékát a ChartPrime segítségével. Hozzáférés itt.
• BlockOffsets. A környezetvédelmi ellentételezési tulajdon korszerűsítése. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/colder-how-physicists-beat-the-theoretical-limit-for-laser-cooling-and-laid-the-foundations-for-a-quantum-revolution/