הכי קר: איך מכתב לאיינשטיין והתקדמות בטכנולוגיית קירור הלייזר הובילו פיזיקאים למצבים קוונטיים חדשים של חומר - עולם הפיזיקה

במהלך שני העשורים האחרונים של המאה ה-20, שברו פיסיקאים אטומיים שוב ושוב את שיא הטמפרטורה הקרה ביותר ביקום. הישגים אלה נשענים על קומץ התקדמות, כולל קירור לייזר (כמתואר ב חלק 1 מההיסטוריה הזו), המלכודת המגנטו-אופטית וטכניקות כמו קירור סיזיפוס שעבדו טוב מהצפוי (כמתואר ב חלק 2). עד שנת 1990, פיזיקאים קיררו באופן שגרתי עשרות מיליוני אטומים לטמפרטורות של כמה עשרות מיקרוקלווין מעל האפס המוחלט - פי אלף קר יותר מהקריוגניקה הרגילה ושבריר מ"מגבלת הקירור הדופלר" שנחזה עבור אטומים פשוטים לקירור לייזר.

עם זאת, עד כמה שהצניחה הזו דרמטית, ירידה מאתגרת עוד יותר בטמפרטורה קורצת: גורם נוסף של 1000, ממיקרוקלווין לננוקלווין. טיפה נוספת זו תציג תחום חדש של פיזיקה המכונה ניוון קוונטי. כאן, טמפרטורות נמוכות וצפיפות גבוהה מאלצות אטומים לאחד משני מצבים אקזוטיים של חומר: או קונדנסט Bose-Einstein (BEC), שבו כל האטומים בגז מתלכדים לאותו מצב קוונטי, או גז פרמי מנוון (DFG), שבו האנרגיה הכוללת של הגז מפסיקה לרדת מכיוון שכל מצבי האנרגיה הזמינים מלאים (איור 1).

BECs ו-DFGs הם תופעות קוונטיות גרידא, והספין הכולל של האטום מכתיב איזו מהן תיווצר. אם לאטום יש מספר זוגי של אלקטרונים, פרוטונים וניטרונים, זה בוזון ויכול לעבור BEC. אם הסכום הוא מוזר, זה פרמיון ויכול ליצור DFG. איזוטופים שונים של אותו יסוד מתנהגים לפעמים בדרכים הפוכות - פיזיקאים יצרו BECs של ליתיום-7 ו-DFGs עם ליתיום-6 - וההבדל הזה בהתנהגות בטמפרטורה נמוכה הוא אחת ההדגמות הדרמטיות ביותר של החלוקה הבסיסית בין חלקיקים קוונטיים.

כמו בפריצות דרך קודמות שתוארו בסדרה זו, הצלילה לניוון קוונטי הגיעה הודות לטכנולוגיות חדשות שהוצגו במעבדות מחקר הפזורות ברחבי העולם. ושוב - כמו בהתקדמות המוקדמת יותר - אחת מהטכנולוגיות הללו הגיעה לגמרי במקרה.

קירור לייזר בזול

באמצע שנות הארבעים, קארל ווימן חקר הפרת זוגיות באטומי צזיום באוניברסיטת קולורדו, בולדר, בארה"ב. מחקרים אלו דורשים מדידות ספקטרוסקופיה גוזלות זמן ומדוקדקות, ואת הדוקטורנט של וימן ריץ' וואטס פיתחו דרך לעשות אותם באמצעות לייזרים דיודות כמו אלה שמיוצרים במיליון עבור נגני CD.

לאחר שבילה שנים בפיתוח כיצד לייצב ולשלוט במכשירים הזולים הללו, ווטס (באופן סביר) רצה לסיים את הדוקטורט שלו, אז הוא ווימן חיפשו סביבם ניסוי קצר טווח כדי לבדוק אותם. התשובה שהם פגעו בהם הייתה קירור לייזר. "זה היה הצד הקטן והכיפי הזה לסיים את התזה של הסטודנט הזה", נזכר וימן, "וזה לגמרי איך נכנסתי ל[קירור לייזר]."

ב-1986 הפכו ווטס ווימן ל- ראשון לקרר בלייזר קרן של אטומי צזיום. ווטס היה גם הראשון לקרר רובידיום בלייזר, כפוסט דוקטורט עם האל מטקאלף באוניברסיטת סטוני ברוק בניו יורק, והוא השתתף בניסויים המכריעים שחשפו התקררות תת-דופלרית פנימה ביל פיליפסמעבדה במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה בארה"ב (NIST) בגיית'רסבורג, מרילנד. עם זאת, כמו שחקן מפתח נוסף שנפגוש בהיסטוריה הזו, ווטס עזב את הבמה מוקדם מדי, מת בגיל 39 בלבד ב-1996.

ווימן, בינתיים, נזקק למטרה מדעית חדשה, משהו שאפשר לעשות רק עם אטומים קרים. הוא, יחד עם עמיתים ומתחרים חדשים, מצא את זה ברעיון ישן מאוד עם ייחוס מדעי ללא דופי: עיבוי Bose–Einstein.

מרוץ לתחתית

ב 1924 סאטנדרה נאת' בוזה היה פיזיקאי ב- אוניברסיטת דאקה במה שהיא כיום בנגלדש. בזמן שלימד את התחום החדש והמתפתח במהירות של פיזיקת הקוונטים, הוא הבין שהנוסחה של מקס פלאנק לספקטרום האור מעצם חם יכולה להיגזר מהכללים הסטטיסטיים השולטים בהתנהגות של פוטונים, שסביר הרבה יותר מאשר חלקיקים קלאסיים להיות נמצא באותן מדינות.

בוס התקשה להוציא את עבודתו לאור, אז הוא שלח עותק לאלברט איינשטיין, שכל כך אהב את זה שהוא ארגן את זה. פורסם ב Zeitschrift für Physik לצד נייר משלו. התרומות של איינשטיין כללו הרחבת סטטיסטיקת הפוטונים לסוגים אחרים של חלקיקים (כולל אטומים) והצבעה על תוצאה מעניינת: בטמפרטורות נמוכות מאוד, המצב הסביר ביותר של המערכת הוא שכל החלקיקים יתפסו את אותו מצב אנרגיה.

מצב קולקטיבי זה נקרא כיום BEC והוא קשור קשר הדוק לעל-נוזליות ולמוליכות-על, אשר נצפים בנוזלים ובמוצקים (בהתאמה) בטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט. עם זאת, המעבר של BEC עצמו יכול להתרחש באופן עקרוני בגז דליל של אטומים - בדיוק כמו אלה שהפיזיקאים האטומיים החלו ליצור בשנות ה-1970.

עם זאת, היו כמה מחסומים. האחת היא שהטמפרטורה הקריטית שבה נוצר BEC נקבעת על ידי הצפיפות: ככל שהצפיפות נמוכה יותר, הטמפרטורה הקריטית נמוכה יותר. למרות שקירור סיזיפוס אפשר טמפרטורות מיקרוקלווין, אדים אטומיים מקוררים בלייזר הם כה מפוזרים שטמפרטורת המעבר שלהם נמוכה עוד יותר, בתחום הננוקלווין. היא גם נמוכה מ"טמפרטורת הרתיעה" הקשורה לאטומים שסופגים או פולטים פוטון בודד. קירור מתחת לגבול זה חייב להיעשות ללא לייזרים.

אידוי אחד בכל פעם

הפתרון הכללי לבעיות אלו הגיע דניאל קלפנר ועמיתים במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT). זה דומה למנגנון שמקרר כוס תה. מולקולות המים בתה נעות במהירויות שונות, ולמהירות ביותר יש מספיק אנרגיה להשתחרר ולרחף כאדי מים. מכיוון שה"בורחים" הללו נושאים כמות גדולה מהממוצע של אנרגיה, המולקולות הנותרות בסופו של דבר קרות יותר. ברגע שהאנרגיה בתנועתם מחולקת מחדש באמצעות התנגשויות בין מולקולות, המערכת מגיעה לשיווי משקל חדש בטמפרטורה נמוכה יותר (איור 2).

השיטה של ​​קלפנר ידועה כקירור באידוי, והיא דורשת שני אלמנטים: אמצעי להסרה סלקטיבית של האטומים החמים ביותר מהמלכודת, וקצב התנגשויות בין אטומים גבוה מספיק כדי שהדגימה תתאזן מחדש לאחר מכן. היסוד הראשון הגיע יד ביד עם הפתרון לבעיית רתע הפוטונים: ניתן לשמור אטומים "בחושך" על ידי העברתם ממלכודת מגנטו-אופטית (MOT) למלכודת מגנטית גרידא כמו זו שפיליפס יצר לראשונה. בשנת 1983. האנרגיה הגבוהה יותר של האטומים ה"חמים" דורשת שדה מגנטי גדול יותר כדי להגביל אותם, והשדה המגנטי הגדול הזה מייצר שינוי זימן ברמות האנרגיה של האטומים. אות תדר רדיו מכוון כהלכה יכול להפוך את האטומים ה"חמים" בשדה הגבוה הזה למצב לא כלוא מבלי להפריע לאטומים הקרים יותר. האטומים הקרים יותר שנותרו מאחור מוגבלים גם לנפח קטן יותר, כך שככל שהטמפרטורה יורדת הצפיפות גדלה, ומקרבת את המערכת ל-BEC בשתי דרכים.

עם זאת, סוגיית ההתנגשות אינה בידי הניסויים. הקצב הרלוונטי מתואר על ידי פרמטר בודד: מה שנקרא אורך הפיזור עבור זוג אטומים מתנגשים במצבים מסוימים. אם אורך פיזור זה גדול וחיובי במידה בינונית, האידוי יתקדם במהירות והעיבוי שנוצר יהיה יציב. אם אורך הפיזור קטן מדי, האידוי יהיה איטי מאוד. אם הוא שלילי, הקונדנסט יהיה לא יציב.

הפתרון הברור הוא לבחור אטום עם אורך הפיזור הנכון, אבל פרמטר זה מתברר כקשה ביותר לחישוב מהעקרונות הראשונים. זה צריך להיקבע באופן אמפירי, ובתחילת שנות ה-1990 איש לא עשה את הניסויים הדרושים. כתוצאה מכך, הקבוצות שהחלו לרדוף אחרי BEC בחרו אלמנטים שונים מהטבלה המחזורית, כל אחת בתקווה ש"שלהם" עשוי להתברר כ"נכון". וימן ועמיתו החדש אריק קורנל אפילו עברו מצסיום לרובידיום מכיוון ששני האיזוטופים היציבים של רובידיום הכפילו את סיכוייהם.

"זה לעולם לא יעבוד"

מכיוון שניתן להפוך MOT למלכודת מגנטית גרידא על ידי כיבוי הלייזרים והרצת זרם רב יותר דרך סלילי המגנט, הצעדים הראשונים לקראת BEC היו הרחבה פשוטה של ​​ניסויי קירור לייזר. לתצורת "מלכודת ארבע-פול" שהתקבלה יש רק בעיה מרכזית אחת: השדה במרכז המלכודת הוא אפס, ובשדה אפס, אטומים יכולים לשנות את המצב הפנימי שלהם למצב שאינו כלוא יותר. סתימת "דליפה" זו של אטומים ממרכז המלכודת דורשת מציאת דרך לשמור על האטומים הכלואים משינוי מצבים.

במשך כמה שנים, זה היה תחום עיקרי של מחקר קירור לייזר. בנוסף לקורנל ווימן, אחד המתמודדים העיקריים במירוץ BEC המתעצם היה וולפגנג קטרל מ-MIT. הקבוצה שלו פיתחה דרך להרחיק אטומים מאזור שדה האפס באמצעות לייזר מכווץ כחול המתמקד במרכז המלכודת כ"תקע". קורנל ווימן, מצידם, השתמשו בטכניקה מגנטית כולה שהם כינו מלכודת פוטנציאל מסלול זמן (TOP).

קורנל פיתח את ה-TOP בטיסה חזרה מכנס בתחילת 1994, מונע בין השאר מהצורך להגביל את ההפרעות למנגנון שלהם. למרות שלא היה לו ולווימן מקום לקרן לייזר נוספת, הם יכלו להוסיף סליל נוסף קטן סביב ציר מאונך לסלילי המרובע, וזה יעביר את מיקום שדה האפס. אטומים במלכודת היו נעים לעבר האפס החדש, כמובן, אבל לא במהירות. אם הם השתמשו בשני סלילים קטנים על צירים שונים המונעים על ידי זרמים מתנודדים כדי להזיז את האפס במעגל כמה מאות פעמים בשנייה, זה עשוי להספיק כדי לשמור אותו, במילותיו של קורנל, "בכל מקום שבו לא נמצאים האטומים".

הם בדקו את הרעיון באותו קיץ, באמצעות סליל קטן המונע על ידי מגבר שמע זול. בהתחלה, השדה שנוסף גרם לסלילים המתפתלים סביב תא אדי הזכוכית שלהם לרעוש בצורה מדאיגה, והסלילים המונעים השמיעו יבבה נוקבת וגבוהה, אבל העיקרון היה קול, אז הם בנו גרסה חזקה יותר. כמה חודשים לאחר מכן, בתחילת 1995, קורנל דן בתוכניות מלכודות עם קטרל, ויצא מתוך מחשבה שהתקע האופטי של צוות MIT "לעולם לא יעבוד. זה בעצם הולך להיות מקל גדול ישן שמצביע לשם". עם זאת, הוא מודה שייתכן שקטרל הרגיש אותו דבר לגבי ה-TOP: "הוא כנראה חושב 'זה הרעיון הכי מטופש ששמעתי בחיים שלי'. אז שנינו יצאנו מאוד מרוצים מהשיחה הזו".

כפי שזה קרה, שתי הטכניקות אכן עבדו. קורנל ווימן היו הראשונים להדגים זאת, וביצעו סדרה של ניסויים שבהם האיר קרן לייזר דרך ענן האטום הקר שלהם. במהלך ה"תצלומים" הללו, אטומים בענן היו קולטים פוטונים מהלייזר, ומשאירים צל בקרן. עומקו של צל זה היה מדד לצפיפות הענן, בעוד שגודל הענן הצביע על טמפרטורת האטומים. עם התקדמות האידוי, התמונות הראו ענן סימטרי כדורי של אטומים המתכווצים באיטיות ומתקררים כאשר אטומים חמים הוסרו בהדרגה.

ואז, ביוני 1995, בטמפרטורה של כ-170 ננוקלווין, קרה משהו דרמטי: כתם כהה קטן הופיע במרכז התמונות שלהם, המייצג אטומים בטמפרטורה נמוכה באופן דרסטי ובצפיפות גבוהה יותר. קורנל אומר שלא לקח הרבה זמן להבין מה קורה: "הצפיפות המרכזית פשוט עולה. מה קורה שם אם לא עיבוי Bose-Instein?"

כדי לאשש את החשדות שלהם, הוא ווימן המירו כמה מתמונות הצל שלהם לחלקות התלת מימד האיקוניות עכשיו (ראו תמונה של "התוצאה המגניבה ביותר") המציגות את האטומים התרמיים ככן רחב ואת ה-BEC כ"שפיץ" המתהווה ב המרכז. צורת השפיץ - רחבה יותר בכיוון אחד מהשני - קודדה רמז. מכיוון שמלכודת ה-TOP שלהם הייתה חזקה יותר בכיוון האנכי מאשר האופקי, הקונדנסט נסחט חזק יותר בכיוון זה, כלומר הוא התרחב מהר יותר בכיוון זה לאחר השחרור. למרות שהם לא חזו את שינוי הצורה הזה, הם הצליחו להסביר אותו במהירות, והוסיפו לביטחון שלהם שהם הגיעו ל"גביע הקדוש" של BEC.

קורנל ווימן הכריזו על תוצאותיהם (באופן חריג, לאותם ימים) במסיבת עיתונאים בתחילת יוני 1995. מאמרם פורסם ב- מדע בחודש הבא. בספטמבר, Ketterle ועמיתיו ייצרו קבוצה משלהם של עלילות תלת-ממד המראות "ספייק" דומה שמתגלה כאשר ענן אטומי הנתרן שלהם הגיע לטמפרטורת המעבר. קורנל, ווימן וקטרל המשיכו לחלוק את פרס נובל לפיזיקה לשנת 2001 להשגת BEC באדי אטומיים מדוללים.

פרמיונים מקבלים את האלוף שלהם

בחודשים הראשונים של 1995, קורנל גייס פוסט דוקטורט חדש, דבורה "דבי" ג'ין. בעלה ג'ון בוהן, פיזיקאי ב-NIST בבולדר, נזכר בקורנל שאמר, "הרבה אנשים יגידו לך ש-BEC עדיין בחופש, אבל אני באמת חושב שאנחנו הולכים לעשות את זה." הוא צדק: ה-BEC הראשון קרה בין הזמן שג'ין הסכימה לקבל את העבודה ועד שהיא התחילה לעבוד.

ג'ין הגיעה מקהילת מחקר אחרת - התזה שלה הייתה על מוליכים אקזוטיים - אבל היא למדה במהירות על לייזרים ואופטיקה, ומילאה תפקיד מפתח בניסויים מוקדמים שבדקו את התכונות של BEC. ככוכבת עולה, היו לה הצעות רבות לתפקיד קבוע, אבל היא בחרה להישאר ב-JILA, מוסד היברידי המשלב מומחיות מאוניברסיטת קולורדו ו-NIST. שם, כדי להבדיל את עבודתה מזו של קורנל ווימן, היא החליטה להמשיך במעמד האחר של התנהגות בטמפרטורות נמוכות במיוחד: גזי פרמי מנוונים.

היכן שבוזונים נשלטים על ידי כללים סטטיסטיים שמגדילים את הסיכוי ששניים מהם יימצאו באותו מצב אנרגיה, אסור לחלוטין על פרמיונים לשתף מצבים. מיושם על אלקטרונים, זהו עקרון ההרחקה של פאולי שמסביר הרבה מהכימיה: אלקטרונים באטום "ממלאים" את מצבי האנרגיה הזמינים, והמצב המדויק של האלקטרונים האחרונים קובע את התכונות הכימיות של יסוד נתון. אטומים פרמיוניים במלכודת מגנטית מצייתים לכלל דומה: כשהגז מתקרר, המצבים הנמוכים ביותר מתמלאים. עם זאת, בשלב מסוים, כל מצבי האנרגיה הנמוכה מלאים, והענן לא יכול להתכווץ יותר. כמו עם BEC, זו תופעה קוונטית גרידא, שאין לה שום קשר לאינטראקציות בין החלקיקים, ולכן היא אמורה להיות ניתנת לצפייה בגז של אטומים קרים במיוחד.

ג'ין התחיל ב-JILA ב-1997 עם סטודנט יחיד לתואר שני, בריאן דמרקו, שנשכר על ידי קורנל אך עבר לעבוד עם ג'ין בהמלצתו של קורנל. כפי שדמרקו נזכר, קורנל אמר לו, "אם אתה ודבי יכולים להיות האנשים הראשונים לעשות DFG, זה יהיה עניין גדול, ויש סיכוי טוב לעשות את זה."

הזוג התחיל במעבדה ריקה, חסרה אפילו רהיטים. בוהן נזכר בהם ישבו על הרצפה במשרד שחלק עם ג'ין, והרכיבו מוצרי אלקטרוניקה עבור הלייזרים העתידיים שלהם. עם זאת, תוך שנה, היה להם מכשיר עבודה ללכידה מגנטית ולקירור באידוי של אטומי אשלגן פרמיוניים.

החיפוש אחר DFG מציב שני אתגרים מעבר לאלה שעומדים בפניהם במירוץ BEC. הראשון שבהם הוא שבטמפרטורות נמוכות במיוחד, ההתנגשויות הדרושות לשלב האיזון מחדש של קירור אידוי מפסיקות להתרחש מכיוון שהאיסור על שני פרמיונים באותו מצב מונע מהם להתנגש. כדי לפתור זאת, ג'ין ודמרקו הניחו מחצית מהאטומים שלהם במצב פנימי שונה, וסיפקו מספיק התנגשויות בין מדינות כדי לאפשר אידוי. בסופו של התהליך, הם יכלו להסיר את אחד משני המצבים ולדמות את השאר.

הנושא השני הוא שבעוד שהחתימה הניסויית של BEC היא נקודת צפיפות ענקית באמצע הענן האטומי, ניוון פרמי עדין יותר. תופעת המפתח של אטומים שמסרבים להתקבץ זה לזה מתבטאת בצורה לא דרמטית בצורת הענן מפסיק להתכווץ עוד יותר ברגע שמגיעים לטמפרטורת המעבר. כדי להבין כיצד להבחין בין הגז המנוון לענן התרמי נדרשה מודלים קפדניים ומערכת הדמיה שיכולה למדוד באופן אמין שינויים זעירים בצורת ההתפלגות.

גז פרמי של אטומים

למרות האתגרים הללו, 18 חודשים בלבד לאחר שהתחילו בחדר ריק, פרסמו ג'ין ודמרקו את התצפית הראשונה על גז פרמי מנוון. כמה שנים לאחר מכן, צוותים בראשות קטרל, רנדי הולט באוניברסיטת רייס, כריסטוף סלומון ב-ENS בפריז, ו ג'ון תומאס באוניברסיטת דיוק, בעקבותיו.

ג'ין, בינתיים, המשיך להשתמש בלייזרים ובשדות מגנטיים כדי להמיר אטומים מנוונים למולקולות, ופתח גבולות חדשים בכימיה אולטרה-קרה. עבודה זו זכתה לשבחים רבים, כולל א "מענק גאוני" של קרן מקארתור, ה I I פרס רבי מהאגודה האמריקנית לפיזיקה (APS) וה- מדליית אייזק ניוטון מהמכון לפיזיקה. ג'ין הייתה מועמדת לעוד פרס נובל בפיזיקה של אטומים אולטרה-קרים, אבל אבוי, היא מת מסרטן ב-2016, והפרס אינו מוענק לאחר מותו.

עם זאת, מעבר לפרסים, המורשת של ג'ין היא משמעותית. תת התחום שהיא התחילה גדל לאחד התחומים החשובים ביותר בפיזיקה האטומית, ותלמידיה לשעבר ועמיתיה ממשיכים להוביל את חקר הפרמיונים האולטרה-קרים. כהכרה במחויבותה לחונכות, ה-APS יצרה פרס דבורה ג'ין שנתי לחקר עבודת דוקטורט מצטיין בפיזיקה אטומית, מולקולרית או אופטית.

היסטוריה של גילוי מתמשך

הסדרה הזו מכסה קצת יותר מחצי מאה. במהלך אותה תקופה, הרעיון של שימוש בלייזרים כדי לתפעל אטומים הפך מסקרנות סרק במוחו של פיזיקאי יחיד של מעבדת בל לטכניקה בסיסית למגוון עצום של פיזיקה מתקדמת. יונים מקוררים בלייזר הם כיום אחת הפלטפורמות החשובות ביותר לפיתוח מדע המידע הקוונטי. אטומים ניטרליים מקוררים בלייזר מספקים את הבסיס לשעונים האטומיים הטובים בעולם. והמערכות המנוונות הקוונטיות שנצפו לראשונה על ידי קורנל, ווימן, קטרל וג'ין הולידו תת-שדה ענק המחבר בין פיזיקה אטומית לפיזיקה ולכימיה של החומר המעובה. אטומים מקוררים בלייזר ממשיכים להיות חיוניים לחקר הפיזיקה, והיסטוריה חדשה נכתבת מדי יום במעבדות ברחבי העולם.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/coldest-how-a-letter-to-einstein-and-advances-in-laser-cooling-technology-led-physicists-to-new-quantum-states-of-matter/