Più freddo: come i fisici superano il limite teorico per il raffreddamento del laser e gettano le basi per una rivoluzione quantistica – Physics World

Alla fine degli anni '1960 una piccola comunità di ricercatori iniziò a utilizzare la forza della luce per spostare piccoli oggetti. Nel decennio successivo, il campo si espanse fino a includere il raffreddamento laser, una potente tecnica che sfrutta il Spostamento Doppler per produrre una forza che può solo rallentare gli oggetti e mai accelerarli. Con il passare degli anni questi nuovi esperimenti di raffreddamento laser si svilupparono lungo i due binari paralleli – ioni e atomi – esplorati in parte 1 di questa serie: "Freddo: come i fisici hanno imparato a manipolare e spostare le particelle con il raffreddamento laser".

In molti modi, gli ioni hanno avuto un vantaggio iniziale. A causa della loro carica elettrica, sperimentano forze elettromagnetiche, che sono abbastanza forti da permettere loro di essere catturati in trappole elettromagnetiche ad alte temperature e raffreddati dai laser alle lunghezze d'onda ultraviolette. Nel 1981 i cacciatori di ioni avevano perfezionato questa tecnica al punto da poter intrappolare e rilevare singoli ioni ed eseguire su di essi la spettroscopia con una precisione senza precedenti.

Gli atomi, al contrario, devono essere rallentati prima di poter essere intrappolati dalle forze più deboli esercitate dalla luce e dai campi magnetici. Eppure, nel 1985 fattura phillips e colleghi di Ufficio nazionale degli standard degli Stati Uniti a Gaithersburg, nel Maryland, aveva usato la luce per rallentare un fascio di atomi di sodio quasi fino a fermarli, per poi confinarli in una trappola magnetica. Oltre a ciò, la sfida principale per gli aspiranti domatori di atomi sembrava coinvolgere lo sviluppo di questo lavoro per rendere più efficiente l’intrappolamento degli atomi neutri e il superamento dei limiti del processo di raffreddamento stesso.

Entrambi i progetti avrebbero avuto successo oltre le aspettative di chiunque. E proprio come abbiamo visto nella prima parte, le radici di questo successo risalgono a Arthur Ashkin at Bell Labs.

Buona idea, esecuzione inadeguata

L’ultima volta che abbiamo incontrato Ashkin, era il 1970 e aveva appena sviluppato la tecnica della “pinzetta ottica” che gli sarebbe valsa un premio Nobel quasi 50 anni dopo. Alla fine degli anni '1970 stava lavorando con i suoi colleghi dei Bell Labs su esperimenti che coinvolgevano un raggio atomico. “Rick Freemann Avevo una macchina a raggio atomico e avevo alcuni esperimenti che sarebbe stato interessante fare con un raggio atomico, ma non ero troppo entusiasta di costruire una macchina a raggio atomico", ricorda l'allora collega di Ashkin, John Bjorkholm.

Sovrapponendo un raggio laser al fascio di atomi, Ashkin e Bjorkholm hanno dimostrato che era possibile focalizzare o sfocare gli atomi regolando la frequenza della luce. Con il laser sintonizzato sul rosso – a una frequenza leggermente inferiore a quella che gli atomi “vogliono” assorbire – l'interazione tra gli atomi e la luce abbasserebbe l'energia interna degli atomi (lo “spostamento della luce”), attirando gli atomi nel raggio laser. Con il laser sintonizzato sul blu, gli atomi venivano espulsi.

Ashkin aveva diverse idee per trasformare questo fenomeno in un metodo “tutto ottico” per intrappolare gli atomi (cioè senza i campi magnetici utilizzati dal gruppo di Phillips). Sfortunatamente, Ashkin e Bjorkholm hanno faticato a implementarlo perché il raggio atomico di Freeman era costruito con finestre di plexiglass che non potevano sostenere pressioni sufficientemente basse. Gli atomi e le molecole che penetravano dall'esterno non venivano colpiti dai laser di raffreddamento e, di conseguenza, quando entravano in collisione con gli atomi nel raggio, cacciavano gli atomi bersaglio fuori dalla trappola. Dopo alcuni anni di risultati deludenti, la leadership dei Bell Labs si inasprì sugli esperimenti e spinse Ashkin a perseguire altre cose.

Nuotatori in un fluido viscoso

In questo periodo, un giovane ricercatore con la reputazione (autodefinita) di "un ragazzo in grado di portare a termine esperimenti difficili" si trasferì in un ufficio vicino a quello di Ashkin nella struttura di Holmdel dei Bell Labs. Il suo nome era Steve Chu, e si interessò alle idee di Ashkin. Insieme, hanno costruito un sistema di vuoto ultraelevato adatto al raffreddamento e all’intrappolamento degli atomi, oltre a un sistema per rallentare gli atomi di sodio spostando rapidamente la frequenza del laser per compensare il cambiamento dello spostamento Doppler. Quest'ultima tecnica è nota come “raffreddamento chirp”; per una felice coincidenza, anche gli scienziati che svilupparono una delle sue tecnologie chiave si trovavano a Holmdel.

A questo punto, Chu suggerì di preraffreddare gli atomi illuminandoli con tre coppie perpendicolari di raggi laser contropropaganti, tutti sintonizzati su una frequenza appena al di sotto della frequenza di transizione degli atomi come discusso nella parte 1. Questa configurazione fornisce una forza di raffreddamento in tutte e tre le dimensioni simultaneamente: un atomo che si muove verso l'alto vede il raggio laser Doppler che scende verso il basso spostato verso l'alto, assorbe fotoni e rallenta; un atomo che si muove a sinistra vede i fotoni nel raggio che va verso destra spostati verso l'alto, e così via. Non importa in che modo si muovono gli atomi, sentono una forza che si oppone al loro movimento. La somiglianza con la situazione di un nuotatore in un fluido viscoso ha portato Chu a soprannominarlo “melassa ottica” (figura 1).

Il team dei Bell Labs ha dimostrato la melassa ottica nel 1985, raccogliendo migliaia di atomi da un raggio raffreddato con cinguettio. Come si addice al nome, la melassa ottica era molto “appiccicosa”, trattenendo gli atomi nei fasci sovrapposti per circa un decimo di secondo (praticamente un’eternità nella fisica atomica) prima che si allontanassero. Mentre nella regione della melassa, gli atomi assorbono e riemettono costantemente la luce dai laser di raffreddamento, quindi appaiono come una nuvola luminosa diffusa. La quantità totale di luce forniva una facile misura del numero di atomi.

Ashkin, Chu e i loro collaboratori sono riusciti anche a stimare la temperatura degli atomi. Lo hanno fatto misurando quanti atomi erano presenti nella melassa, spegnendo la luce per un breve periodo, quindi riaccendendola e misurando nuovamente il numero. Durante l'intervallo di oscurità la nube atomica si espanderebbe e alcuni atomi sfuggirebbero alla regione dei fasci di melassa. Questo tasso di fuga ha permesso al team di calcolare la temperatura degli atomi: circa 240 microkelvin – proprio in linea con il minimo previsto per gli atomi di sodio raffreddati al laser.

Trasformare la melassa in una trappola

Nonostante la sua viscosità, la melassa ottica non è una trappola. Sebbene rallenti gli atomi, una volta che gli atomi si spostano verso il bordo dei raggi laser, possono scappare. Una trappola, al contrario, fornisce una forza che dipende dalla posizione, spingendo gli atomi indietro in una regione centrale.

Il modo più semplice per creare una trappola è con un raggio laser ben focalizzato, simile alle pinzette ottiche sviluppate da Ashkin per intrappolare oggetti microscopici. Sebbene il volume del fuoco del laser sia una piccola frazione del volume della melassa, Ashkin, Bjorkholm e (indipendentemente) Chu si resero conto che un numero significativo di atomi poteva comunque accumularsi in una tale trappola attraverso la diffusione casuale nella melassa. Quando hanno aggiunto alla melassa un raggio laser separato e intrappolante, i risultati sono stati promettenti: nella nube diffusa di melassa è apparso un piccolo punto luminoso, che rappresentava diverse centinaia di atomi intrappolati.

Andare oltre, tuttavia, presentava sfide tecniche. Il problema è che lo spostamento dei livelli di energia atomica che rende possibile l’intrappolamento ottico a raggio singolo ostacola il processo di raffreddamento: quando il laser di intrappolamento abbassa l’energia dello stato fondamentale dell’atomo, cambia l’effettiva desintonizzazione della frequenza del laser di raffreddamento. L'uso di un secondo laser e l'alternanza tra raffreddamento e intrappolamento migliora il numero di atomi che possono essere intrappolati, ma a costo di ulteriore complessità. Per fare ulteriori progressi, i fisici avrebbero bisogno di atomi più freddi o di una trappola migliore.

La connessione francese

Entrambi erano all'orizzonte. Claude Cohen-Tannoudji e il suo gruppo presso l'École Normale Supérieure (ENS) di Parigi si occupavano principalmente del raffreddamento laser dal punto di vista teorico. Jean Dalibard, allora un dottorato di ricerca appena coniato nel gruppo, ricorda di aver studiato le analisi teoriche di Ashkin e Jim Gordon (“un articolo fantastico”) e dal duo sovietico Vladilen Letokhov e Vladimir Minogin, che (con Boris D Pavlik) aveva ricavato la temperatura minima raggiungibile con il raffreddamento laser nel 1977.

Come abbiamo visto nella parte 1, questa temperatura minima è nota come limite di raffreddamento Doppler e deriva dai “calci” casuali che si verificano quando gli atomi riemettono fotoni dopo aver assorbito la luce da uno dei raggi di raffreddamento. Incuriosito da quanto fosse realmente fermo questo “limite”, Dalibard cercò modi per mantenere gli atomi “all’oscuro” il più possibile. Per fare ciò, ha sfruttato una proprietà degli atomi reali che non è catturata dalla teoria standard del raffreddamento Doppler: gli stati atomici reali non sono singoli livelli energetici, ma raccolte di sottolivelli con la stessa energia ma diversi momenti angolari (figura 2).

Questi diversi sottolivelli, o stati di quantità di moto, cambiano energia in presenza di un campo magnetico (effetto Zeeman). Man mano che il campo diventa più forte, alcuni stati aumentano di energia, mentre altri diminuiscono. Questi ruoli vengono poi invertiti quando la direzione del campo si inverte. Un ulteriore fattore complicante è che la polarizzazione della luce laser determina quali sottolivelli assorbiranno i fotoni. Mentre una polarizzazione sposta gli atomi tra gli stati in modo da aumentare il momento angolare, un'altra lo diminuisce.

Nella sua analisi teorica, Dalibard combinò questi sottolivelli con un campo magnetico che ad un certo punto è zero e aumenta man mano che gli atomi si muovono verso l'esterno. In tal modo, ha creato una situazione in cui l'effettiva desintonizzazione della frequenza laser dipendeva dalla posizione degli atomi. (Phillips e colleghi usarono una configurazione simile per la loro trappola magnetica, ma con un campo molto più elevato.) Gli atomi potevano quindi assorbire da un particolare laser solo nella posizione specifica in cui la combinazione di desintonizzazione, spostamento Doppler e spostamento Zeeman era giusta ( figura 3).

Dalibard sperava che restringendo in questo modo la capacità degli atomi di assorbire la luce si potesse abbassare la loro temperatura minima. Dopo aver calcolato che non sarebbe stato così, accantonò l'idea. "Ho visto che era una trappola, ma non stavo cercando una trappola, stavo cercando il raffreddamento sub-Doppler", spiega.

Forse sarebbe finita lì se non fosse stato per Dave Pritchard, un fisico del Massachusetts Institute of Technology che visitò il gruppo di Parigi nel 1986. Durante la visita, Pritchard tenne un discorso sulle idee per produrre trappole di volume maggiore e concluse dicendo che avrebbe accolto con favore altri suggerimenti migliori.

"Sono andato da Dave e gli ho detto 'Beh, ho un'idea e non sono sicuro che sia migliore, ma è diversa dalla tua'", ricorda Dalibard. Pritchard riportò l'idea di Dalibard negli Stati Uniti e nel 1987 lui e Chu costruirono la prima trappola magneto-ottica (MOT) basata sull'analisi di Dalibard. A Dalibard è stato offerto il ruolo di coautore dell'articolo risultante, ma è stato felice semplicemente di essere riconosciuto nei riconoscimenti.

È difficile sopravvalutare quanto sia stato rivoluzionario il MOT per lo sviluppo del raffreddamento laser. È un dispositivo relativamente semplice, che richiede solo una singola frequenza laser e un campo magnetico relativamente debole per produrre trappole potenti. La cosa migliore, però, è la sua capacità. La prima trappola completamente ottica di Chu e Ashkin conteneva centinaia di atomi, la prima trappola magnetica di Phillips diverse migliaia, ma la prima trappola magneto-ottica conteneva dieci milioni di atomi. Insieme all'introduzione dei laser a diodi economici da parte di Carl Wieman presso l'Università del Colorado (di cui parleremo più avanti nella terza parte di questa serie), l'avvento del MOT ha innescato una rapida esplosione nel numero di gruppi che studiano il raffreddamento laser in tutto il mondo. Il ritmo della ricerca stava per accelerare.

La legge di Murphy va in vacanza

Mentre Pritchard e Chu stavano costruendo il primo MOT, Phillips e i suoi colleghi di Gaithersburg stavano riscontrando un problema estremamente insolito con la loro melassa ottica. Contrariamente a ogni aspettativa della fisica sperimentale, la melassa ha funzionato troppo bene. Infatti, potrebbe raffreddare gli atomi anche con alcuni dei suoi raggi parzialmente bloccati.

Questa scoperta è avvenuta in parte perché il raffreddamento laser avrebbe dovuto essere un progetto parallelo di Phillips, quindi il suo laboratorio è stato allestito in una sala di preparazione collegata a un'officina meccanica. Per evitare che polvere e grasso si accumulassero sul sistema di aspirazione del laboratorio, i membri del gruppo coprivano le finestre del sistema con plastica o carta da filtro durante la notte. "Di tanto in tanto si ottiene questa melassa dall'aspetto davvero distorto", ricorda Paolo Lett, che si unì al gruppo nel 1986, “e poi ti renderesti conto che, oh, non abbiamo tolto quel pezzo di carta da filtro. È stato straordinario che abbia funzionato”.

Questa sorprendente tenacia ha portato Lett a spingere per uno studio più sistematico, che includesse una nuova serie di misurazioni della temperatura. Il metodo di "rilascio e ricattura" sviluppato dal gruppo dei Bell Labs presentava incertezze relativamente grandi, quindi il gruppo di Phillips ha provato un nuovo metodo che prevedeva il rilevamento della luce emessa quando gli atomi attraversavano un fascio di sonda posizionato vicino alla melassa. Quando la melassa veniva spenta, gli atomi volavano via. Il tempo impiegato per raggiungere la sonda fornirebbe una misura diretta della loro velocità, e quindi della loro temperatura.

Come tutti gli esperimenti di raffreddamento laser, il laboratorio di Phillips ha racchiuso molte lenti e specchi in uno spazio ristretto e il posto più conveniente per posizionare la sonda si è rivelato leggermente al di sopra della regione della melassa. Questo avrebbe dovuto funzionare bene per gli atomi che viaggiavano alla loro velocità limite Doppler, ma quando Lett tentò l'esperimento, nessun atomo raggiunse la sonda. Alla fine, lui e i suoi colleghi hanno spostato la posizione della sonda al di sotto della melassa, e a quel punto hanno visto un bellissimo segnale. C’era solo un problema: il limite di raffreddamento Doppler era di 240 microkelvin, ma questa misurazione del “tempo di volo” mostrava una temperatura di 40 microkelvin.

Questo risultato sembra violare la legge di Murphy, il detto secondo cui “tutto ciò che può andare storto, lo farà”, quindi non erano disposti ad accettarlo immediatamente. Hanno misurato nuovamente la temperatura utilizzando diverse tecniche, incluso un rilascio e una ricattura migliorati, ma hanno continuato a ottenere lo stesso risultato: gli atomi erano molto più freddi di quanto la teoria ritenesse possibile.

All'inizio del 1988 Phillips e l'azienda contattarono altri gruppi della ristretta comunità di raffreddatori laser, chiedendo loro di controllare le temperature nei propri laboratori. Chu e Wieman confermarono rapidamente il risultato sorprendente: la melassa ottica non solo funzionava per raffreddare gli atomi, ma funzionava anche meglio di quanto previsto dalla teoria.

Salendo su una collina

Il gruppo di Parigi non aveva ancora un programma sperimentale, ma Dalibard e Cohen-Tannoudji attaccarono il problema teoricamente attraverso lo stesso fattore del mondo reale utilizzato da Dalibard per sviluppare il MOT: molteplici stati atomici interni. Lo stato fondamentale del sodio ha cinque sottolivelli con la stessa energia e la distribuzione degli atomi tra questi stati dipende dall'intensità e dalla polarizzazione della luce. Questo processo di distribuzione, chiamato “pompaggio ottico”, era centrale per la ricerca spettroscopica in corso presso l’ENS di Parigi sotto Cohen-Tannoudji, quindi il suo gruppo era particolarmente adatto a esplorare come questi stati aggiuntivi potessero migliorare il raffreddamento del laser.

La caratteristica fondamentale risulta essere la polarizzazione della luce laser, che nella fisica classica corrisponde all'asse del campo elettrico oscillante della luce. La combinazione di sei raggi che si contropropagano produce una complicata distribuzione delle polarizzazioni poiché i raggi si combinano in modi diversi in punti diversi all'interno della melassa ottica. Gli atomi vengono costantemente pompati otticamente in diverse configurazioni, estendendo il processo di raffreddamento e consentendo temperature più basse.

Nell'estate del 1988 Dalibard e Cohen-Tannoudji avevano ideato un modello elegante per spiegare il raffreddamento sub-Doppler. (Chu arrivò indipendentemente a un risultato simile, che ricorda di aver ottenuto su un treno tra due conferenze in Europa.) Considerarono un atomo semplificato con solo due sottolivelli dello stato fondamentale, tradizionalmente etichettati –½ e +½, illuminati da due raggi laser che si propagavano in direzioni opposte con polarizzazioni lineari opposte. Questo crea uno schema che alterna due stati di polarizzazione, etichettati σ^- e σ⁺.

Un atomo in una regione di σ^- la polarizzazione verrà pompata otticamente nello stato –½, che sperimenta un grande spostamento di luce che abbassa la sua energia interna. Mentre l'atomo si muove verso σ⁺ regione di polarizzazione, lo spostamento della luce diminuisce e l’atomo deve rallentare per compensare, perdendo energia cinetica per compensare l’aumento di energia interna, come una palla che rotola su una collina. Quando raggiunge il σ⁺ la luce, il pompaggio ottico lo farà passare allo stato +½, che ha un grande spostamento di luce. L'atomo non recupera l'energia perduta risalendo la “collina” fuori da σ^- regione, però, quindi si muove più lentamente man mano che il processo ricomincia: lo spostamento della luce diminuisce mentre si sposta verso il successivo σ^- regione, quindi perde energia, quindi pompa otticamente a –½ e così via.

Questo processo di perdita di energia salendo costantemente su "colline" ha fornito un nome vivido: Dalibard e Cohen-Tannoudji lo soprannominarono Raffreddamento di Sisifo, dal nome del re del mito greco condannato a trascorrere l'eternità a spingere un masso su una collina solo per far scivolare la roccia. allontanarsi e ritornare sul fondo (figura 4). Gli atomi nella melassa ottica si trovano in una situazione simile, scalando sempre le colline e perdendo energia solo per farsi riportare sul fondo dal pompaggio ottico e costringerli a ricominciare da capo.

Le ricompense di Sisifo

La teoria alla base del raffreddamento di Sisifo fa previsioni concrete sulle temperature minime e su come queste dipendano dalla desintonizzazione del laser e dal campo magnetico. Queste previsioni sono state rapidamente confermate nei laboratori di tutto il mondo. Nell'autunno del 1989 il Giornale dell'Optical Society of America B ha pubblicato un numero speciale sul raffreddamento laser contenente i risultati sperimentali del gruppo di Phillips a Gaithersburg, la teoria di Sisifo di Parigi e un documento sperimentale e teorico combinato del gruppo di Chu, che a quel tempo si era trasferito dai Bell Labs alla Stanford University in California. Per gran parte del decennio successivo, questo numero speciale fu considerato la fonte definitiva per gli studenti che cercavano di comprendere il raffreddamento laser, e Cohen-Tannoudji e Chu continuarono a condividere le Premio Nobel 1997 per la Fisica con Phillips.

Portato al suo limite, l’effetto Sisifo può raffreddare gli atomi al punto in cui non hanno più abbastanza energia per scalare anche una singola “collina” e sono invece confinati in una minuscola regione di un’unica polarizzazione. Questo confinamento è altrettanto stretto quanto lo è per gli ioni intrappolati, rendendo i due rami del raffreddamento del laser ben simmetrici. All’inizio degli anni ’1990 gli ioni intrappolati e gli atomi neutri potevano essere entrambi raffreddati fino a un regime in cui la loro natura quantistica diventava evidente: un singolo ione in una trappola, o un atomo in un “pozzo” creato nel raffreddamento di Sisifo, può esistere solo in una certa energia discreta. stati. Questi stati discreti furono presto misurati per entrambi i sistemi; oggi rappresentano una parte essenziale dell’informatica quantistica con atomi e ioni.

Un ulteriore interessante filone di ricerca ha riguardato i pozzi stessi. Questi si formano quando i raggi luminosi interferiscono e si presentano naturalmente in grandi matrici con una spaziatura pari alla metà della lunghezza d'onda del laser. La natura periodica di questi cosiddetti reticoli ottici imita la struttura microscopica della materia solida, con gli atomi che svolgono il ruolo di elettroni in un reticolo cristallino. Questa somiglianza rende gli atomi intrappolati una piattaforma utile per esplorare fenomeni fisici della materia condensata come la superconduttività.

Per esplorare davvero la superconduttività con atomi freddi, però, il reticolo deve essere caricato con atomi con una densità maggiore e una temperatura ancora più bassa di quella che si può ottenere con il raffreddamento di Sisifo. Come vedremo nella parte 3, arrivarci richiederebbe ancora un nuovo insieme di strumenti e tecniche e aprirebbe la possibilità di creare non solo analoghi di sistemi conosciuti, ma stati della materia completamente nuovi.

• Parte 3 della storia del raffreddamento laser di Ciad Orzel sarà pubblicato prossimamente Mondo della fisica

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/colder-how-physicists-beat-the-theoretical-limit-for-laser-cooling-and-laid-the-foundations-for-a-quantum-revolution/