Colder: 物理学者がどのようにしてレーザー冷却の理論限界を突破し、量子革命の基礎を築いたのか – Physics World

1960 年代後半、小さな研究者コミュニティが、光の力を利用して小さな物体を押し動かすことを始めました。 次の XNUMX 年以内に、この分野はレーザー冷却を含むように拡大しました。レーザー冷却は、 ドップラーシフト 物体を減速させるだけで決して加速することのできない力を生成します。 年が経つにつれて、これらの新しいレーザー冷却実験は、イオンと原子という XNUMX つの平行な軌道に沿って開発されました。 このシリーズのパート 1: 「寒さ: 物理学者はレーザー冷却で粒子を操作し移動する方法をどのように学んだか」.

多くの点で、イオンには初期の利点がありました。 それらは帯電しているため、高温で電磁トラップに捕らえられ、紫外線波長のレーザーによって冷却されるほど強力な電磁力を受けます。 1981 年までに、イオン トラッパーはこの技術を改良し、単一イオンを捕捉して検出し、前例のない精度で分光分析を実行できるようになりました。

対照的に、原子は、光と磁場によって及ぼされる弱い力によって捕捉される前に、速度を下げる必要があります。 それでも、1985年までに ビル・フィリップス との同僚 米国国家標準局 メリーランド州ゲイサーズバーグの研究者らは、光を使ってナトリウム原子のビームをほぼ停止するまで減速し、磁気トラップに閉じ込めた。 さらに、アトムテイマー志望者にとっての主な課題は、この研究を基礎にして中性原子のトラップをより効率的にすること、そして冷却プロセス自体の限界を押し上げることであるように見えました。

どちらのプロジェクトも、誰の予想も超えて成功するでしょう。 パート 1 で見たように、この成功のルーツは次のように遡ります。 アーサー・アシュキン at ベル研究所.

アイデアは良いが、実行は不十分

私たちが最後にアシュキンに会ったのは 1970 年で、彼はちょうど 50 年近く後にノーベル賞を受賞することになる「光ピンセット」技術を開発したばかりでした。 1970 年代の終わりまでに、彼はベル研究所の同僚とともに原子ビームを使った実験に取り組んでいました。 「リック・フリーマン アシュキンの当時の同僚ジョン・ビョークホルムは振り返る。

アシュキンとビョークホルムは、レーザービームを原子のビームと重ねることで、光の周波数を調整することで原子の焦点を合わせたり、焦点を外したりできることを示した。 レーザーを赤色（原子が吸収したいと思う周波数よりわずかに低い周波数）に調整すると、原子と光の相互作用によって原子の内部エネルギーが低下し（「光シフト」）、原子がレーザービームに引き込まれます。 レーザーを青色に調整すると、原子が押し出されました。

アシュキンは、この現象を原子を捕捉するための「全光学的」方法（つまり、フィリップスのグループが使用した磁場を使用しない）に変えるためのいくつかのアイデアを持っていました。 残念なことに、フリーマンの原子ビームは十分に低い圧力に耐えられないプレキシガラス窓で作られていたため、アシュキンとビョルホルムはそれを実現するのに苦労した。 外部から漏れ出した原子や分子は冷却レーザーの影響を受けず、その結果、ビーム内の原子と衝突した際にターゲットの原子をトラップの外に蹴り出しました。 数年間期待外れの結果が続いた後、ベル研究所の指導部は実験に不満を抱き、アシュキンに他のことを追求するよう促した。

粘性流体の中を泳ぐ人たち

この頃、「難しい実験を成し遂げることができる人」という（自称）評判を持つ若い研究者が、ベル研究所のホルムデル施設にあるアシュキンの近くのオフィスに引っ越してきた。 彼の名前は スティーブチューとアシュキンの考えに興味を持ちました。 彼らは協力して、原子の冷却と捕捉に適した超高真空システムと、変化するドップラーシフトを補償するためにレーザー周波数を急速に掃引することによってナトリウム原子を減速するシステムを構築した。 後者の技術は「チャープ冷却」として知られています。 嬉しい偶然ですが、その主要なテクノロジーの XNUMX つを開発した科学者もホルムデルにいました。

この時点で、Chu 氏は、第 1 部で説明した原子の遷移周波数のすぐ下の周波数にすべて調整された逆伝播レーザー ビームの 1 つの垂直ペアを原子に照射することで原子を予冷することを提案しました。この構成により冷却力が得られます。 XNUMX つの次元すべてで同時に動作します。上向きに移動する原子は、下向きに進むレーザー ビームのドップラーを見て上にシフトし、光子を吸収し、速度が低下します。 左に移動する原子は、右に向かうビーム内の光子が上にシフトされるのを目にします。 原子がどちらの方向に動いても、原子はその動きに反対する力を感じます。 粘性流体の中での水泳選手の窮状との類似性から、Chu 氏はそれを「光学糖蜜」と名付けました (図 XNUMX)。

ベル研究所のチームは 1985 年に光学糖蜜を実証し、チャープ冷却ビームから数千の原子を収集しました。 名前にふさわしく、光学糖蜜は非常に「粘着性」があり、重なり合うビームの中に原子を約 XNUMX 分の XNUMX 秒 (原子物理学では実質的に永遠) 保持してから、外に出ていきました。 糖蜜領域にいる間、原子は冷却レーザーからの光を常に吸収および再放出しているため、拡散して輝く雲のように見えます。 光の総量により、原子の数を簡単に測定できます。

アシュキン、チュー、および彼らの共同研究者らは、原子の温度を推定することもできました。 彼らは、糖蜜の中に何個の原子が含まれているかを測定し、短時間光を消し、その後再びオンにして数を再測定することによってこれを行いました。 暗い時間帯には原子雲が拡大し、一部の原子が糖蜜ビームの領域から逃げ出すだろう。 この脱出率により、研究チームは原子の温度を約 240 マイクロケルビンと計算することができました。これは、レーザー冷却されたナトリウム原子の予想される最小値と一致しています。

糖蜜を罠に変える

粘着性にもかかわらず、光糖蜜は罠ではありません。 原子の速度は遅くなりますが、原子がレーザー ビームの端に近づくと逃げ出す可能性があります。 対照的に、トラップは位置に応じて力を与え、原子を中央領域に押し戻します。

トラップを作成する最も簡単な方法は、微細な物体を捕捉するためにアシュキンが開発した光ピンセットと同様に、厳密に焦点を合わせたレーザー ビームを使用することです。 レーザー焦点の体積は糖蜜の体積のほんの一部ですが、アシュキン、ビョークホルム、そして（独立して）チューは、それでも糖蜜中のランダムな拡散によってこのようなトラップにかなりの数の原子が蓄積する可能性があることに気づきました。 彼らが糖蜜に別個の捕捉レーザービームを加えたところ、結果は有望でした。拡散した糖蜜の雲の中に小さな明るい点が現れ、数百個の捕捉された原子を表しました。

しかし、それを超えるには技術的な課題が生じました。 問題は、単一ビームの光トラップを可能にする原子エネルギーレベルの変化が冷却プロセスを妨げることです。トラップレーザーが原子の基底状態のエネルギーを低下させると、冷却レーザーの実効周波数離調が変化します。 XNUMX 番目のレーザーを使用し、冷却とトラップを交互に行うと、トラップできる原子の数が増加しますが、その代償として複雑さが増します。 さらなる進歩を遂げるためには、物理​​学者はより冷たい原子か、より優れたトラップを必要とするでしょう。

フランスとのつながり

どちらも地平線上にありました。 クロード・コーエン＝タンヌージ パリの高等師範学校 (ENS) の彼のグループは、主に理論面からレーザー冷却に取り組んでいました。 ジャン・ダリバール当時グループ内で新しく博士号を取得した彼は、アシュキンとアシュキンによる理論分析を勉強したことを覚えています。 ジム・ゴードン (「素晴らしい論文」) および V のソビエト デュオによるラディレン・レトホフとウラジミール・ミノギン（ボリス・D・パブリクと）) は 1977 年にレーザー冷却で達成可能な最低温度を導き出しました。

パート 1 で見たように、この最低温度はドップラー冷却限界として知られており、原子が冷却ビームの 2 つからの光を吸収した後に光子を再放出するときに発生するランダムな「キック」に起因します。 この「限界」が実際にどれくらい厳格であるかに興味を持ったダリバードは、原子をできるだけ「闇の中に」保つ方法を探しました。 これを行うために、彼は標準的なドップラー冷却理論では捉えられない実際の原子の特性を利用しました。つまり、実際の原子の状態は単一のエネルギー準位ではなく、エネルギーは同じだが角運動量が異なるサブ準位の集合体です (図 XNUMX)。

これらの異なるサブレベル、つまり運動量状態は、磁場の存在下でエネルギーを変化させます (ゼーマン効果)。 場が強くなるにつれて、一部の状態のエネルギーは増加しますが、他の状態は減少します。 これらの役割は、フィールドの方向が反転すると反転します。 さらに複雑な要因は、レーザー光の偏光によってどのサブレベルが光子を吸収するかが決まることです。 XNUMX つの分極は角運動量を増加させる方法で原子を状態間で移動させますが、別の分極は角運動量を減少させます。

理論的分析において、ダリバードはこれらのサブ準位を、ある時点でゼロになり、原子が外側に移動するにつれて増加する磁場と組み合わせました。 そうすることで、彼は、実効的なレーザー周波数の離調が原子の位置に依存する状況を作り出しました。 (フィリップスらは、同様の構成を磁気トラップに使用しましたが、はるかに高い磁場で使用しました。) したがって、原子は、離調、ドップラー シフト、およびゼーマン シフトの組み合わせが適切な特定の位置でのみ、特定のレーザーから吸収することができました (図3)。

ダリバード氏は、このように原子の光吸収能力を制限することで、原子の最低温度が下がるのではないかと期待した。 そうはならないと計算した後、彼はそのアイデアをファイルに保管しました。 「それが罠であることは分かりましたが、私は罠を探していたのではなく、サブドップラー冷却を探していたのです」と彼は説明します。

それがなかったらそこで終わっていたかもしれない デイブ・プリチャードプリチャード氏はマサチューセッツ工科大学の物理学者で、1986年にパリグループを訪問した。訪問中、プリチャード氏はより大容量のトラップを製造するためのアイデアについて講演し、最後に他のより良い提案を歓迎すると述べた。

「デイブのところに行って、『アイデアがあるんだけど、それがより良いかどうかはよくわからないけど、それはあなたのアイデアとは違うよ』と言いました」とダリバードは振り返る。 プリチャードはダリバードのアイデアを米国に持ち帰り、1987 年に彼とチューはダリバードの分析に基づいて最初の磁気光学トラップ (MOT) を構築しました。 ダリバードは、結果として得られた論文の共著者としてオファーされましたが、謝辞で認められただけで満足していました。

レーザー冷却の開発において MOT がいかに革命的であったかは、いくら強調してもしすぎることはありません。 これは比較的単純なデバイスで、強力なトラップを生成するには単一のレーザー周波数と比較的弱い磁場のみが必要です。 しかし、何よりも素晴らしいのはその容量です。 チューとアシュキンの最初の全光学トラップは数百の原子を保持し、フィリップスの最初の磁気トラップは数千の原子を保持しましたが、最初の磁気光学トラップは3万の原子を保持しました。 コロラド大学のカール ウィーマンによる安価なダイオード レーザーの導入 (これについてはこのシリーズのパート XNUMX で詳しく説明します) と合わせて、MOT の出現により、レーザー冷却を研究するグループの数が世界中で急速に爆発的に増加しました。 研究のペースは加速しようとしていた。

マーフィーの法則はお休みです

プリチャードとチューが最初の MOT を構築している間、フィリップスとゲイサーズバーグの同僚は光学糖蜜に関する非常に珍しい問題に遭遇していました。 実験物理学のあらゆる予想に反して、糖蜜はあまりにもうまく機能した。 実際、ビームの一部が部分的に遮断されていても原子を冷却することができます。

この発見は、レーザー冷却がフィリップスのサイドプロジェクトであるはずだったために、彼の研究室が機械工場に接続された準備室に設置されていたことが、部分的には実現した。 実験室の真空システムに工場のほこりやグリースが蓄積するのを防ぐために、グループのメンバーは夜間にシステムの窓をプラスチックや濾紙で覆いました。 「時々、本当に歪んだ糖蜜ができることがありました」と振り返る。 ポール・レット1986 年にグループに参加した彼は、「そして、ああ、その濾紙を取り出していなかったことに気づくでしょう。 それがまったく機能したのは驚くべきことだった。」

この驚くべき粘り強さにより、レット氏は新しい一連の温度測定を含む、より体系的な研究を推進することになった。 ベル研究所のグループが開発した「解放・再捕獲」法には比較的大きな不確実性があったため、フィリップスのグループは、糖蜜の近くに置かれたプローブビームを原子が横切るときに発せられる光を検出するという新しい方法を試みた。 糖蜜のスイッチを切ると、原子は飛び去ってしまう。 探査機に到達するまでにかかった時間は、その速度、ひいては温度を直接測定することになる。

すべてのレーザー冷却実験と同様に、フィリップスの研究室は小さなスペースに多くのレンズとミラーを詰め込みましたが、プローブを置くのに最も便利な場所は糖蜜領域のわずかに上であることが判明しました。 これは、ドップラー限界速度で移動する原子には問題なく機能するはずでしたが、レットが実験を試みたところ、プローブに到達する原子はありませんでした。 最終的に、彼と同僚は探査機の位置を糖蜜の下に移動し、その時点で美しい信号を確認しました。 問題が 240 つだけありました。ドップラー冷却限界は 40 マイクロケルビンでしたが、この「飛行時間」測定では XNUMX マイクロケルビンの温度が示されました。

この結果はマーフィーの法則、つまり「うまくいかない可能性のあるものはすべてうまくいく」という格言に違反しているように見えるため、彼らはすぐには受け入れようとはしませんでした。 彼らは、放出と再捕捉の改善など、いくつかの異なる技術を使用して温度を再測定しましたが、同じ結果が得られ続けました。つまり、原子は理論で可能と言われているよりもはるかに冷たいということでした。

1988 年の初め、フィリップスとその仲間たちは、レーザークーラーの緊密なコミュニティの他のグループに連絡を取り、自分たちの研究室の温度をチェックするよう依頼しました。 Chu 氏と Wieman 氏は、驚くべき結果をすぐに確認しました。光糖蜜は原子を冷却するのに機能しただけでなく、理論で言われているよりも効果的に機能したのです。

丘を登る

パリのグループにはまだ実験プログラムがなかったが、ダリバードとコーエン・タヌージは、ダリバードがMOTの開発に使用したのと同じ現実世界の要素、つまり複数の内部原子状態を介して理論的に問題を攻撃した。 ナトリウムの基底状態には同じエネルギーを持つ XNUMX つのサブレベルがあり、それらの状態間の原子の分布は光の強度と偏光に依存します。 「光ポンピング」と呼ばれるこの分配プロセスは、コーエン-タンヌージ率いるパリのENSで行われている分光研究の中心であったため、彼のグループは、これらの追加の状態がどのようにレーザー冷却を改善できるかを探索するのに非常に適していました。

重要な特徴はレーザー光の偏光であることが判明し、古典物理学では光の振動電場の軸に対応します。 XNUMX 本の逆伝播ビームを組み合わせると、光糖蜜内の異なる場所で異なる方法でビームが結合するため、複雑な偏光分布が生成されます。 原子は常に光学的にポンピングされてさまざまな構成になり、冷却プロセスが延長され、温度の低下が可能になります。

1988 年の夏までに、ダリバードとコーエン-タンヌージはサブドップラー冷却を説明するエレガントなモデルを考案しました。 (Chu 氏は同様の結果に独自に到達しており、ヨーロッパでの XNUMX つの会議の間の電車の中でこの結果を導き出したことを覚えています。) 彼らは、伝統的に -XNUMX/XNUMX と + XNUMX/XNUMX とラベル付けされている XNUMX つの基底状態サブ準位のみを持ち、内部を伝播する XNUMX つのレーザー ビームで照射された単純化された原子を検討しました。反対方向、反対の直線偏光。 これにより、σ とラベル付けされた XNUMX つの偏光状態が交互に現れるパターンが作成されます。^– とσ⁺.

σ の領域にある原子^– 偏光は光学的に –XNUMX/XNUMX 状態に励起され、内部エネルギーが低下する大きな光シフトが発生します。 原子がσに向かって移動すると、⁺ 偏光領域に達すると、光のシフトが減少し、それを補うために原子は減速する必要があり、丘を転がり上がるボールのように、内部エネルギーの増加を補うために運動エネルギーを失います。 σに達すると⁺ 光の場合、光ポンピングにより +XNUMX/XNUMX 状態に切り替わり、大きな光シフトが生じます。 原子は、σ から「丘」を登るときに失ったエネルギーを取り戻すことはできません。^– ただし、領域にあるため、プロセスがやり直すにつれて移動が遅くなります。光のシフトは次の σ に向かうにつれて減少します。^– そのためエネルギーが失われ、光学的に –XNUMX/XNUMX にポンプされる、というようになります。

絶えず「丘」を登ることによってエネルギーを失うこのプロセスは、鮮やかな名前を与えました。ダリバードとコーエン・タンヌージは、永遠の時間をかけて丘の上に岩を押し上げた結果、岩が滑り落ちてしまったギリシャ神話の王にちなんで、これをシーシュポスの冷却と名付けました。離れて一番下に戻ります (図 4)。 光糖蜜中の原子も同様の苦境に陥り、常に丘を登ってエネルギーを失い、光ポンピングによって原子を底に戻し、再びやり直すことになります。

シーシュポスの報酬

シーシュポスの冷却の背後にある理論は、最低温度と、それがレーザーの離調と磁場にどのように依存するかについて具体的に予測します。 これらの予測は、世界中の研究室ですぐに確認されました。 1989 年の秋に、 アメリカ光学学会誌 B レーザー冷却に関する特集号を発行しました そこには、ゲイサースバーグのフィリップスのグループの実験結果、パリのシーシュポス理論、そしてその時までにベル研究所からカリフォルニアのスタンフォード大学に移っていたチューのグループの実験と理論を組み合わせた論文が含まれていた。 その後 XNUMX 年間のほとんどの間、この特集号はレーザー冷却を理解しようとする学生にとっての決定的な情報源とみなされ、コーエン-タンヌージとチューは続けて 1997年ノーベル物理学賞 フィリップスと一緒に。

シーシュポス効果を極限まで高めると、原子が単一の「丘」さえ登るのに十分なエネルギーを持たなくなり、代わりに単一の分極の小さな領域に閉じ込められる点まで原子が冷却される可能性があります。 この閉じ込めは、トラップされたイオンの閉じ込めと同じくらい厳しく、レーザー冷却の 1990 つの分岐が適切に対称になります。 XNUMX 年代初頭までに、トラップされたイオンと中性原子は両方とも、その量子的性質が明らかになる領域まで冷却されるようになりました。トラップ内の単一イオン、またはシーシュポスの冷却で作成された「井戸」内の原子は、特定の離散エネルギーの中でのみ存在できます。州。 これらの離散状態はすぐに両方のシステムで測定されました。 今日、それらは原子とイオンを使用した量子コンピューティングの重要な部分です。

さらに興味深い研究手段は、井戸そのものに関するものでした。 これらは光線が干渉するときに形成され、レーザー波長の半分の間隔で大きな配列として自然に発生します。 これらのいわゆる光格子の周期的性質は固体物質の微細構造を模倣しており、原子は結晶格子内で電子の役割を果たしています。 この類似性により、トラップされた原子は、超伝導などの凝縮物物理現象を探索するための有用なプラットフォームになります。

しかし、冷たい原子による超伝導を実際に探求するには、シーシュポス冷却で達成できるよりも高密度でさらに低い温度の原子を格子に充填する必要があります。 パート 3 で説明するように、そこに到達するには、さらに別の新しいツールと技術のセットが必要となり、既知のシステムの類似物だけでなく、まったく新しい物質の状態を作成する可能性が開かれます。

• レーザー冷却の歴史のパート 3 チャド・オーゼル まもなく公開されます 物理学の世界

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