Lebih dingin: bagaimana fisikawan melampaui batas teoritis untuk pendinginan laser dan meletakkan dasar bagi revolusi kuantum – Dunia Fisika

Lebih dingin: bagaimana fisikawan melampaui batas teoritis untuk pendinginan laser dan meletakkan dasar bagi revolusi kuantum – Dunia Fisika

Secara praktis sudah menjadi hukum bahwa tidak ada eksperimen yang bekerja lebih baik daripada yang dikatakan teori, namun itulah yang sebenarnya terjadi dalam fisika atom pada akhir tahun 1980-an, sebagaimana Chad Orzel jelaskan dalam bagian kedua dari tiga bagian sejarah pendinginan laser. Bagian pertama dapat dibaca di sini 

alat perangkap atom
Bersinar terang Dalam foto yang diambil pada akhir tahun 1980-an, peneliti Kris Helmerson mengamati awan kecil atom natrium yang bersinar yang ditangkap oleh enam sinar laser yang berpotongan di ruang vakum. Saat itu, Helmerson adalah anggota kelompok penelitian Bill Phillips di Biro Standar Nasional AS. Phillips kemudian berbagi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1997 untuk teknik pendinginan dan perangkap laser yang dikembangkan di laboratorium ini. (Sumber: H Mark Helfer/NIST)

Pada akhir tahun 1960-an, komunitas kecil peneliti mulai menggunakan kekuatan cahaya untuk mendorong benda-benda kecil. Dalam dekade berikutnya, bidang ini diperluas hingga mencakup pendinginan laser, sebuah teknik canggih yang memanfaatkan teknologi Pergeseran Doppler untuk menghasilkan gaya yang hanya dapat memperlambat benda, dan tidak pernah mempercepatnya. Seiring berlalunya waktu, eksperimen pendinginan laser baru ini berkembang di sepanjang dua jalur paralel – ion dan atom – yang dieksplorasi bagian 1 dari seri ini: “Dingin: bagaimana fisikawan belajar memanipulasi dan memindahkan partikel dengan pendinginan laser”.

Dalam banyak hal, ion mempunyai keunggulan awal. Karena muatan listriknya, mereka mengalami gaya elektromagnetik, yang cukup kuat untuk memungkinkan mereka terperangkap dalam perangkap elektromagnetik pada suhu tinggi dan didinginkan oleh laser pada panjang gelombang ultraviolet. Pada tahun 1981, penjebak ion telah menyempurnakan teknik ini hingga mereka dapat menjebak dan mendeteksi ion tunggal dan melakukan spektroskopi pada ion tersebut dengan presisi yang belum pernah terjadi sebelumnya.

Sebaliknya, atom perlu diperlambat sebelum dapat terperangkap oleh gaya lemah yang dihasilkan oleh cahaya dan medan magnet. Namun, pada tahun 1985 Bill Phillips dan rekan-rekan di Biro Standar Nasional AS di Gaithersburg, Maryland, telah menggunakan cahaya untuk memperlambat pancaran atom natrium hingga hampir berhenti, kemudian mengurungnya dalam perangkap magnet. Selain itu, tantangan utama bagi calon penjinak atom tampaknya adalah mengembangkan upaya untuk membuat penangkapan atom netral menjadi lebih efisien, dan mendorong batas-batas proses pendinginan itu sendiri.

Kedua proyek tersebut akan berhasil melampaui ekspektasi siapa pun. Dan seperti yang kita lihat di bagian 1, akar kesuksesan ini berasal dari Arthur Ashkin at Bell Labs.

Ide bagus, eksekusi tidak memadai

Terakhir kali kami bertemu Ashkin adalah tahun 1970 dan dia baru saja mengembangkan teknik “penjepit optik” yang membuatnya memenangkan Hadiah Nobel hampir 50 tahun kemudian. Pada akhir tahun 1970-an dia bekerja dengan rekan-rekannya di Bell Labs dalam eksperimen yang melibatkan sinar atom. “Rick Freeman memiliki mesin pancaran atom, dan saya melakukan beberapa eksperimen yang menarik untuk dilakukan dengan pancaran atom, namun saya tidak terlalu tertarik untuk membuat mesin pancaran atom,” kenang rekan Ashkin saat itu, John Bjorkholm.

Dengan tumpang tindih sinar laser dengan berkas atom, Ashkin dan Bjorkholm menunjukkan bahwa atom dapat difokuskan atau dihilangkan fokusnya dengan menyesuaikan frekuensi cahaya. Dengan laser yang disetel ke warna merah – pada frekuensi yang sedikit lebih rendah daripada yang “ingin” diserap oleh atom – interaksi antara atom dan cahaya akan menurunkan energi internal atom (“pergeseran cahaya”), sehingga menarik atom ke dalam sinar laser. Dengan laser yang disetel ke warna biru, atom-atom terdorong keluar.

Ashkin mempunyai beberapa ide untuk mengubah fenomena ini menjadi metode “semua optik” untuk menjebak atom (yaitu, tanpa medan magnet yang digunakan kelompok Phillips). Sayangnya, Ashkin dan Bjorkholm kesulitan menerapkannya karena berkas atom Freeman dibuat dengan jendela kaca plexiglass yang tidak dapat menahan tekanan cukup rendah. Atom dan molekul yang bocor dari luar tidak terpengaruh oleh laser pendingin, dan akibatnya, ketika mereka bertabrakan dengan atom dalam berkas, mereka menendang atom target keluar dari perangkap. Setelah beberapa tahun mendapatkan hasil yang mengecewakan, pimpinan Bell Labs kecewa dengan eksperimen tersebut dan mendorong Ashkin untuk melakukan hal lain.

Perenang dalam cairan kental

Steve Chu

Sekitar waktu ini, seorang peneliti muda dengan reputasi (yang menggambarkan dirinya sendiri) sebagai “orang yang mampu menyelesaikan eksperimen sulit” pindah ke kantor dekat Ashkin's di fasilitas Holmdel Bell Labs. Namanya adalah Steve Chu, dan dia menjadi tertarik dengan ide Ashkin. Bersama-sama, mereka membangun sistem vakum ultratinggi yang cocok untuk pendinginan dan penangkapan atom, ditambah sistem untuk memperlambat atom natrium dengan menyapu frekuensi laser secara cepat untuk mengimbangi perubahan pergeseran Doppler. Teknik terakhir ini dikenal sebagai “kicauan pendingin”; secara kebetulan, para ilmuwan yang mengembangkan salah satu teknologi utamanya juga berada di Holmdel.

Pada titik ini, Chu menyarankan agar atom-atom tersebut didinginkan terlebih dahulu dengan menyinari atom-atom tersebut dengan tiga pasang sinar laser kontra-propagasi yang tegak lurus, semuanya disetel ke frekuensi tepat di bawah frekuensi transisi atom seperti yang dibahas di bagian 1. Konfigurasi ini memberikan gaya pendinginan dalam ketiga dimensi secara bersamaan: atom yang bergerak ke atas melihat sinar laser Doppler yang bergerak ke bawah bergeser ke atas, menyerap foton, dan melambat; sebuah atom yang bergerak ke kiri melihat foton dalam berkas yang bergerak ke kanan bergeser ke atas, dan seterusnya. Ke arah mana pun atom bergerak, mereka merasakan adanya gaya yang berlawanan dengan gerakannya. Kemiripannya dengan nasib seorang perenang dalam cairan kental membuat Chu menjulukinya “molase optik” (gambar 1).

1 molase optik

Lebih dingin: bagaimana fisikawan melampaui batas teoritis untuk pendinginan laser dan meletakkan dasar bagi revolusi kuantum – Fisika Dunia PlatoBlockchain Data Intelligence. Pencarian Vertikal. Ai.

Sebuah atom disinari oleh pasangan berkas sinar merah sepanjang sumbu tegak lurus. Atom yang bergerak ke kiri akan melihat laser Doppler yang bergerak ke kanan bergeser ke atas, dan lebih mungkin menyerap cahaya darinya, dan melambat; berkas lainnya tidak digeser, sehingga tidak terserap. Jika atom bergerak ke atas, ia hanya akan melihat berkas yang mengarah ke bawah bergeser ke atas, dan menyerap darinya, dan seterusnya. Atom mengalami gaya yang memperlambatnya tidak peduli ke arah mana ia bergerak.

Tim Bell Labs mendemonstrasikan molase optik pada tahun 1985, mengumpulkan ribuan atom dari sinar berpendingin kicauan. Sesuai dengan namanya, molase optik sangat “lengket”, menahan atom-atom dalam berkas yang tumpang tindih selama sekitar sepersepuluh detik (praktis selamanya dalam fisika atom) sebelum mereka keluar. Sementara di wilayah molase, atom-atomnya terus-menerus menyerap dan memancarkan kembali cahaya dari laser pendingin, sehingga tampak sebagai awan bercahaya yang menyebar. Jumlah total cahaya memberikan pengukuran jumlah atom dengan mudah.

Ashkin, Chu dan kolaborator mereka juga mampu memperkirakan suhu atom. Mereka melakukan ini dengan mengukur berapa banyak atom dalam molase, mematikan lampu sebentar, lalu menyalakannya kembali dan mengukur ulang jumlahnya. Selama interval gelap, awan atom akan mengembang, dan beberapa atom akan keluar dari wilayah pancaran molase. Tingkat pelepasan ini memungkinkan tim untuk menghitung suhu atom: sekitar 240 mikrokelvin – sesuai dengan suhu minimum yang diharapkan untuk atom natrium yang didinginkan dengan laser.

Mengubah molase menjadi perangkap

Meski lengket, molase optik bukanlah jebakan. Meskipun memperlambat atom, begitu atom melayang ke tepi sinar laser, mereka dapat melarikan diri. Sebaliknya, sebuah jebakan menyuplai gaya yang bergantung pada posisi, mendorong atom kembali ke wilayah pusat.

Cara paling sederhana untuk membuat jebakan adalah dengan sinar laser yang sangat terfokus, mirip dengan pinset optik yang dikembangkan Ashkin untuk menjebak objek mikroskopis. Meskipun volume fokus laser hanya sebagian kecil dari volume molase, Ashkin, Bjorkholm, dan (secara independen) Chu menyadari bahwa sejumlah besar atom dapat terakumulasi dalam perangkap semacam itu melalui difusi acak dalam molase. Ketika mereka menambahkan sinar laser yang memerangkap molase secara terpisah, hasilnya menjanjikan: titik terang kecil muncul di awan molase yang tersebar, mewakili beberapa ratus atom yang terperangkap.

Namun, untuk melampaui hal tersebut, terdapat tantangan teknis. Masalahnya adalah, pergeseran tingkat energi atom yang memungkinkan penangkapan optik berkas tunggal menghambat proses pendinginan: ketika laser perangkap menurunkan energi keadaan dasar atom, hal ini mengubah pelepasan frekuensi efektif laser pendingin. Menggunakan laser kedua dan bergantian antara pendinginan dan penjebakan akan meningkatkan jumlah atom yang dapat terperangkap, namun dengan mengorbankan kompleksitas tambahan. Untuk mencapai kemajuan lebih lanjut, fisikawan memerlukan atom yang lebih dingin atau perangkap yang lebih baik.

Koneksi Perancis

Claude Cohen-Tannoudji

Keduanya sudah berada di cakrawala. Claude Cohen-Tannoudji dan kelompoknya di École Normale Supérieure (ENS) di Paris terutama membahas pendinginan laser dari sisi teoritis. Jean Dalibard, yang saat itu baru meraih gelar PhD di grup tersebut, ingat mempelajari analisis teoretis oleh Ashkin dan Jim Gordon (“makalah yang fantastis”) dan oleh duo Soviet Vladilen Letokhov dan Vladimir Minogin, yang (bersama Boris D Pavlik) telah memperoleh suhu minimum yang dapat dicapai dengan pendinginan laser pada tahun 1977.

Seperti yang kita lihat di bagian 1, suhu minimum ini dikenal sebagai batas pendinginan Doppler, dan ini berasal dari “tendangan” acak yang terjadi ketika atom memancarkan kembali foton setelah menyerap cahaya dari salah satu berkas pendingin. Penasaran dengan seberapa tegas “batas” ini, Dalibard mencari cara untuk menjaga atom “dalam kegelapan” sebanyak mungkin. Untuk melakukan hal ini, ia mengeksploitasi properti atom nyata yang tidak ditangkap oleh teori pendinginan Doppler standar: keadaan atom sebenarnya bukanlah tingkat energi tunggal, namun kumpulan sublevel dengan energi yang sama tetapi momen sudut berbeda (gambar 2).

Sublevel atau keadaan momentum yang berbeda ini mengubah energi dengan adanya medan magnet (efek Zeeman). Ketika medan semakin kuat, energi di beberapa negara bagian meningkat, sementara yang lain menurun. Peran-peran ini kemudian dibalik ketika arah bidang berbalik. Faktor rumit selanjutnya adalah polarisasi sinar laser menentukan sublevel mana yang akan menyerap foton. Sementara satu polarisasi menggerakkan atom antar keadaan sedemikian rupa sehingga meningkatkan momentum sudut, polarisasi lain menurunkannya.

2 Beberapa sublevel dalam natrium

Lebih dingin: bagaimana fisikawan melampaui batas teoritis untuk pendinginan laser dan meletakkan dasar bagi revolusi kuantum – Fisika Dunia PlatoBlockchain Data Intelligence. Pencarian Vertikal. Ai.

Dengan tidak adanya medan magnet, keadaan dasar atom natrium memiliki lima sublevel dengan energi yang sama tetapi momentum sudut berbeda, dan keadaan tereksitasi memiliki tujuh sublevel. Semua transisi antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi melibatkan cahaya dengan frekuensi yang sama. Ketika medan magnet diterapkan, sublevelnya bergeser ke atas atau ke bawah dengan jumlah yang berbeda. Akibatnya, transisi antara sublevel “keadaan teregang” dari momentum sudut maksimum berpindah ke frekuensi yang lebih tinggi (biru) atau lebih rendah (merah).

Dalam analisis teoretisnya, Dalibard menggabungkan sublevel ini dengan medan magnet yang bernilai nol di beberapa titik dan meningkat seiring pergerakan atom ke luar. Dengan melakukan hal tersebut, ia menciptakan situasi di mana penurunan frekuensi laser yang efektif bergantung pada posisi atom. (Phillips dan rekannya menggunakan konfigurasi serupa untuk perangkap magnet mereka, tetapi pada medan yang jauh lebih tinggi.) Oleh karena itu, atom dapat menyerap dari laser tertentu hanya pada posisi tertentu di mana kombinasi detuning, pergeseran Doppler, dan pergeseran Zeeman tepat ( gambar 3).

3 Perangkap magneto-optik

Lebih dingin: bagaimana fisikawan melampaui batas teoritis untuk pendinginan laser dan meletakkan dasar bagi revolusi kuantum – Fisika Dunia PlatoBlockchain Data Intelligence. Pencarian Vertikal. Ai.

Atom diterangi oleh sepasang laser merah dengan polarisasi berlawanan, dalam medan magnet yang semakin besar bergerak keluar dari pusat. Sublevel keadaan tereksitasi bergeser ke arah yang berlawanan karena adanya medan, dan atom menyerap cahaya hanya pada posisi di mana kombinasi detuning, pergeseran Zeeman, dan pergeseran Doppler tepat, sehingga mendorongnya kembali ke pusat.

Dalibard berharap bahwa membatasi kemampuan atom dalam menyerap cahaya dengan cara ini dapat menurunkan suhu minimumnya. Setelah dia menghitung bahwa itu tidak akan terjadi, dia membuang gagasan itu. “Saya melihatnya sebagai jebakan, namun saya tidak mencari jebakan, saya mencari pendinginan sub-Doppler,” jelasnya.

Itu mungkin akan berakhir jika bukan karena hal itu Dave Prita, seorang ahli fisika di Massachusetts Institute of Technology yang mengunjungi kelompok Paris pada tahun 1986. Selama kunjungan tersebut, Prita memberikan ceramah tentang ide-ide untuk memproduksi perangkap bervolume lebih besar, dan mengakhiri dengan mengatakan bahwa dia akan menyambut baik saran-saran lain – yang lebih baik.

“Saya menemui Dave, dan berkata, 'Ya, saya punya ide, dan saya tidak terlalu yakin itu lebih baik, tapi idenya berbeda dengan ide Anda,'” kenang Dalibard. Pritchard membawa ide Dalibard kembali ke AS, dan pada tahun 1987 ia dan Chu membangun perangkap magneto-optical (MOT) pertama berdasarkan analisis Dalibard. Dalibard ditawari untuk ikut menulis makalah yang dihasilkan, namun ia merasa senang karena diakui dalam ucapan terima kasihnya.

Sulit untuk melebih-lebihkan betapa revolusionernya MOT dalam pengembangan pendinginan laser. Ini adalah perangkat yang relatif sederhana, hanya memerlukan satu frekuensi laser dan medan magnet yang relatif lemah untuk menghasilkan perangkap yang kuat. Namun yang terbaik dari semuanya adalah kapasitasnya. Perangkap optik pertama milik Chu dan Ashkin dapat menampung ratusan atom, perangkap magnet pertama Phillips menampung beberapa ribu atom, namun perangkap magneto-optik pertama menampung sepuluh juta atom. Bersamaan dengan diperkenalkannya laser dioda murah oleh Carl Wieman di Universitas Colorado (yang akan dibahas lebih lanjut di bagian 3 seri ini), munculnya MOT memicu ledakan pesat dalam jumlah kelompok yang mempelajari pendinginan laser di seluruh dunia. Laju penelitian akan semakin cepat.

Hukum Murphy mengambil libur

Saat Pritchard dan Chu sedang membangun MOT pertama, Phillips dan rekan-rekannya di Gaithersburg menghadapi masalah yang sangat tidak biasa dengan molase optik mereka. Bertentangan dengan ekspektasi fisika eksperimental, molase bekerja terlalu baik. Faktanya, ia dapat mendinginkan atom meskipun sebagian pancarannya terhalang sebagian.

Penemuan ini terjadi sebagian karena pendinginan laser seharusnya menjadi proyek sampingan Phillips, sehingga laboratoriumnya didirikan di ruang persiapan yang terhubung ke bengkel mesin. Untuk mencegah debu dan minyak menumpuk di sistem vakum laboratorium, anggota kelompok akan menutup jendela sistem dengan plastik atau kertas saring pada malam hari. “Kadang-kadang Anda mendapatkan molase yang tampak sangat menyimpang,” kenangnya Paul Lett, yang bergabung dengan grup tersebut pada tahun 1986, “dan kemudian Anda akan menyadari bahwa, oh, kami tidak mengeluarkan kertas saring itu. Sungguh luar biasa bahwa hal itu berhasil.”

Kegigihan yang mengejutkan ini membuat Lett mendorong penelitian yang lebih sistematis, termasuk serangkaian pengukuran suhu baru. Metode “lepaskan dan tangkap kembali” yang dikembangkan oleh kelompok Bell Labs memiliki ketidakpastian yang relatif besar, sehingga kelompok Phillips mencoba metode baru yang melibatkan pendeteksian cahaya yang dipancarkan ketika atom melintasi berkas probe yang ditempatkan di dekat molase. Ketika molase dimatikan, atom-atomnya akan terbang menjauh. Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai wahana akan memberikan ukuran langsung kecepatannya, dan juga suhunya.

Seperti semua eksperimen pendinginan laser, laboratorium Phillips mengemas banyak lensa dan cermin ke dalam ruang kecil, dan tempat paling nyaman untuk meletakkan probe ternyata berada sedikit di atas wilayah molase. Ini seharusnya bekerja dengan baik untuk atom yang bergerak pada kecepatan batas Dopplernya, tetapi ketika Lett mencoba eksperimennya, tidak ada atom yang mencapai probe. Akhirnya, dia dan rekan-rekannya menggeser posisi probe ke bawah molase, dan pada saat itulah mereka melihat sinyal yang indah. Hanya ada satu masalah: batas pendinginan Doppler adalah 240 mikrokelvin, namun pengukuran “waktu penerbangan” ini menunjukkan suhu 40 mikrokelvin.

Kartun Hal Metcalf dan Bill Phillips

Hasil ini sepertinya melanggar hukum Murphy, yang menyatakan “apa pun yang bisa salah, pasti terjadi”, sehingga mereka tidak mau langsung menerimanya. Mereka mengukur ulang suhu menggunakan beberapa teknik berbeda, termasuk pelepasan dan penangkapan kembali yang lebih baik, namun mereka tetap mendapatkan hasil yang sama: atom-atomnya jauh lebih dingin daripada yang mungkin menurut teori.

Pada awal tahun 1988 Phillips dan perusahaannya menghubungi kelompok lain yang tergabung dalam komunitas pendingin laser, meminta mereka memeriksa suhu di laboratorium mereka sendiri. Chu dan Wieman dengan cepat mengkonfirmasi hasil yang mengejutkan: molase optik tidak hanya bekerja untuk mendinginkan atom, tetapi juga bekerja lebih baik daripada yang dikatakan teori.

Mendaki bukit

Kelompok Paris belum memiliki program eksperimental, namun Dalibard dan Cohen-Tannoudji mengatasi masalah tersebut secara teoritis melalui faktor dunia nyata yang sama yang digunakan Dalibard untuk mengembangkan MOT: beberapa keadaan atom internal. Keadaan dasar natrium memiliki lima sublevel dengan energi yang sama, dan distribusi atom di antara keadaan tersebut bergantung pada intensitas dan polarisasi cahaya. Proses distribusi ini, yang disebut “pemompaan optik”, merupakan inti dari penelitian spektroskopi yang dilakukan di ENS di Paris di bawah pimpinan Cohen-Tannoudji, sehingga kelompoknya secara unik sangat cocok untuk mengeksplorasi bagaimana keadaan tambahan ini dapat meningkatkan pendinginan laser.

Fitur utamanya ternyata adalah polarisasi sinar laser, yang dalam fisika klasik berhubungan dengan sumbu medan listrik cahaya yang berosilasi. Kombinasi enam sinar yang merambat balik menghasilkan distribusi polarisasi yang rumit karena sinar-sinar tersebut bergabung dengan cara yang berbeda di tempat yang berbeda dalam molase optik. Atom-atom terus-menerus dipompa secara optik ke dalam konfigurasi yang berbeda, sehingga memperpanjang proses pendinginan dan memungkinkan suhu yang lebih rendah.

Pada musim panas tahun 1988 Dalibard dan Cohen-Tannoudji telah merancang model elegan untuk menjelaskan pendinginan sub-Doppler. (Chu secara independen sampai pada hasil serupa, yang ia ingat saat ia berada di antara dua konferensi di Eropa.) Mereka mempertimbangkan atom yang disederhanakan dengan hanya dua sublevel keadaan dasar, yang secara tradisional diberi label –½ dan +½, diterangi oleh dua sinar laser yang merambat di arah berlawanan dengan polarisasi linier berlawanan. Hal ini menciptakan pola yang bergantian antara dua keadaan polarisasi, diberi label σ- dan σ+.

Sebuah atom di wilayah σ- polarisasi akan dipompa secara optik ke keadaan –½, yang mengalami pergeseran cahaya besar yang menurunkan energi internalnya. Saat atom bergerak menuju σ+ wilayah polarisasi, pergeseran cahaya berkurang, dan atom harus melambat untuk mengimbanginya, kehilangan energi kinetik untuk mengimbangi peningkatan energi internal, seperti bola yang menggelinding ke atas bukit. Ketika mencapai σ+ ringan, pemompaan optik akan menyebabkannya beralih ke kondisi +½, yang memiliki pergeseran cahaya yang besar. Atom tidak mendapatkan kembali energi yang hilang saat mendaki “bukit” keluar dari σ- namun, ia bergerak lebih lambat saat proses dimulai kembali: pergeseran cahaya berkurang saat ia bergerak menuju σ berikutnya- wilayah tersebut, sehingga kehilangan energi, kemudian memompa secara optik ke –½, dan seterusnya.

Proses kehilangan energi dengan terus-menerus mendaki “bukit” ini mempunyai nama yang jelas: Dalibard dan Cohen-Tannoudji menjulukinya sebagai pendinginan Sisyphus, diambil dari nama raja dalam mitos Yunani yang dikutuk untuk menghabiskan waktu selamanya mendorong sebuah batu besar ke atas bukit hanya untuk membuat batu tersebut tergelincir. pergi dan kembali ke bawah (gambar 4). Atom-atom dalam molase optik mengalami kesulitan yang sama, selalu mendaki bukit dan kehilangan energi hanya untuk mendapatkan pemompaan optik yang mengembalikannya ke dasar dan memaksanya untuk memulai dari awal lagi.

4 Sisifus mendingin

Lebih dingin: bagaimana fisikawan melampaui batas teoritis untuk pendinginan laser dan meletakkan dasar bagi revolusi kuantum – Fisika Dunia PlatoBlockchain Data Intelligence. Pencarian Vertikal. Ai.

Sebuah atom yang bergerak dalam keadaan –½ mengalami pergeseran cahaya yang besar sehingga menurunkan energi internalnya ketika bermandikan cahaya dengan polarisasi sigma-minus. Saat bergerak menuju daerah yang mengandung cahaya terpolarisasi sigma-plus (area merah pada diagram), pergeseran cahaya berkurang dan atom melambat untuk mengimbangi perubahan energi. Ketika sampai ke σ+ wilayah tersebut, pemompaan optik memindahkannya ke keadaan +½ di mana energi internalnya rendah, namun masih bergerak lebih lambat. Kemudian prosesnya berulang: bergerak menuju σ-, melambat, memompa secara optik ke –½, dll.

Imbalan Sisyphus

Teori di balik pendinginan Sisyphus membuat prediksi konkret tentang suhu minimum dan bagaimana suhu tersebut bergantung pada pelepasan laser dan medan magnet. Prediksi ini dengan cepat dikonfirmasi di laboratorium di seluruh dunia. Pada musim gugur tahun 1989 Jurnal Masyarakat Optik Amerika B menerbitkan edisi khusus tentang pendinginan laser berisi hasil eksperimen dari kelompok Phillips di Gaithersburg, teori Sisyphus dari Paris, dan gabungan makalah eksperimental dan teoretis dari kelompok Chu, yang saat itu telah berpindah dari Bell Labs ke Universitas Stanford di California. Selama sebagian besar dekade berikutnya, terbitan khusus ini dianggap sebagai sumber pasti bagi siswa yang ingin memahami pendinginan laser, dan Cohen-Tannoudji dan Chu melanjutkan untuk berbagi Hadiah Nobel Fisika 1997 dengan Phillips.

Pada batas maksimalnya, efek Sisyphus dapat mendinginkan atom hingga ke titik di mana atom tidak lagi memiliki cukup energi untuk mendaki satu “bukit” pun dan malah terbatas pada wilayah kecil dengan satu polarisasi. Pengurungan ini sangat ketat seperti halnya ion-ion yang terperangkap, membuat kedua cabang pendinginan laser menjadi simetris. Pada awal tahun 1990-an, ion-ion yang terperangkap dan atom-atom netral dapat didinginkan hingga sifat kuantumnya menjadi jelas: sebuah ion tunggal dalam sebuah perangkap, atau sebuah atom dalam sebuah “sumur” yang diciptakan dalam pendinginan Sisyphus, hanya dapat eksis dalam energi diskrit tertentu. negara bagian. Keadaan diskrit ini segera diukur untuk kedua sistem; saat ini, mereka adalah bagian penting dari komputasi kuantum dengan atom dan ion.

Penelitian menarik lainnya berkaitan dengan sumur itu sendiri. Ini terbentuk ketika berkas cahaya berinterferensi, dan secara alami terjadi dalam susunan besar dengan jarak setengah panjang gelombang laser. Sifat periodik dari apa yang disebut kisi optik ini meniru struktur mikroskopis materi padat, dengan atom berperan sebagai elektron dalam kisi kristal. Kesamaan ini menjadikan atom-atom yang terperangkap sebagai platform yang berguna untuk mengeksplorasi fenomena fisika benda terkondensasi seperti superkonduktivitas.

Namun, untuk benar-benar mengeksplorasi superkonduktivitas dengan atom dingin, kisi harus diisi dengan atom dengan kepadatan lebih tinggi dan suhu lebih rendah daripada yang dapat dicapai dengan pendinginan Sisyphus. Seperti yang akan kita lihat di bagian 3, untuk mencapainya diperlukan seperangkat alat dan teknik baru, dan akan membuka kemungkinan untuk menciptakan tidak hanya analog dari sistem yang sudah dikenal, namun juga wujud materi yang benar-benar baru.

  • Bagian 3 dari sejarah pendinginan laser oleh Chad Orzel akan segera diterbitkan pada Dunia Fisika

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika