Colder: 물리학자들이 레이저 냉각의 이론적 한계를 극복하고 양자 혁명의 토대를 마련한 방법 – Physics World

1960년대 후반에 소규모 연구자 공동체가 빛의 힘을 사용하여 작은 물체를 밀어내기 시작했습니다. 다음 XNUMX년 내에 이 분야는 레이저 냉각을 포함하도록 확장되었습니다. 도플러 시프트 물체의 속도를 늦출 수만 있고 속도를 높일 수 없는 힘을 생성하는 것입니다. 몇 년이 지나면서 이러한 새로운 레이저 냉각 실험은 이온과 원자라는 두 개의 평행 트랙을 따라 개발되었습니다. 이 시리즈의 1부: "냉기: 물리학자들이 레이저 냉각을 통해 입자를 조작하고 이동하는 방법을 배운 방법".

여러 면에서 이온은 초기에 이점을 갖고 있었습니다. 전하로 인해 전자기력을 경험하게 되는데, 이는 고온에서 전자기 트랩에 갇히고 자외선 파장의 레이저에 의해 냉각될 수 있을 만큼 강력합니다. 1981년까지 이온 트랩퍼들은 단일 이온을 트랩 및 검출하고 전례 없는 정밀도로 분광학을 수행할 수 있을 정도로 이 기술을 개선했습니다.

이와 대조적으로 원자는 빛과 자기장에 의해 가해지는 약한 힘에 의해 갇히기 전에 속도를 늦춰야 합니다. 그래도 1985년에는 빌 필립스 그리고 동료들 미국 국립표준국 메릴랜드 주 게이더스버그에서는 빛을 사용하여 나트륨 원자 빔을 거의 정지시킨 다음 자석 트랩에 가두었습니다. 그 외에도 원자 조련사가 되려는 사람들의 주요 과제는 이 작업을 기반으로 중성 원자를 보다 효율적으로 포착하고 냉각 과정 자체의 한계를 확장하는 것이었습니다.

두 프로젝트 모두 모두의 기대 이상으로 성공할 것입니다. 그리고 1부에서 살펴본 것처럼 이러한 성공의 뿌리는 다음과 같습니다. 아서 애쉬킨 at 벨 연구소.

좋은 아이디어, 부적절한 실행

우리가 Ashkin을 마지막으로 만났던 때는 1970년이었고 그는 거의 50년 후 노벨상을 수상하게 된 "광학 족집게" 기술을 막 개발한 때였습니다. 1970년대 말에 그는 벨 연구소 동료들과 함께 원자빔과 관련된 실험을 진행했습니다. “릭 프리먼 나는 원자빔 기계를 가지고 있었고 원자빔과 관련된 흥미로운 실험을 몇 가지 했지만 원자빔 기계를 만드는 데 그다지 열정적이지 않았습니다.”라고 Ashkin의 당시 동료였던 John Bjorkholm은 회상합니다.

Ashkin과 Bjorkholm은 레이저 빔을 원자 빔과 중첩함으로써 빛의 주파수를 조정하여 원자의 초점을 맞추거나 초점을 맞추는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 레이저를 빨간색으로 조정하면(원자가 "원하는" 주파수보다 약간 낮은 주파수) 원자와 빛 사이의 상호 작용으로 인해 원자의 내부 에너지("빛 이동")가 낮아지고 원자가 레이저 빔으로 끌어당겨집니다. 파란색으로 조정된 레이저로 원자가 밀려났습니다.

Ashkin은 이 현상을 원자를 포획하기 위한 "전광학" 방법(즉, Phillips 그룹이 사용하는 자기장 없음)으로 전환하기 위한 몇 가지 아이디어를 가지고 있었습니다. 불행히도 Ashkin과 Bjorkholm은 Freeman의 원자빔이 충분히 낮은 압력을 견딜 수 없는 플렉시글라스 창으로 제작되었기 때문에 이를 구현하는 데 어려움을 겪었습니다. 외부에서 새어 들어온 원자와 분자는 냉각 레이저의 영향을 받지 않았고, 그 결과 빔 속 원자와 충돌하면 표적 원자를 트랩 밖으로 쫓아냈다. 몇 년 동안 실망스러운 결과를 보인 후 Bell Labs 경영진은 실험에 지쳤고 Ashkin에게 다른 일을 추구하도록 강요했습니다.

점성 유체에서 수영하는 사람들

이 무렵, "어려운 실험을 수행할 수 있는 사람"이라는 (자칭) 평판을 가진 젊은 연구원이 Bell Labs의 Holmdel 시설에 있는 Ashkin의 근처 사무실로 이사했습니다. 그의 이름은 ...였다 스티브 추, 그는 Ashkin의 아이디어에 관심을 갖게되었습니다. 그들은 함께 원자 냉각 및 포획에 적합한 초고진공 시스템과 변화하는 도플러 편이를 보상하기 위해 레이저 주파수를 빠르게 스위핑하여 나트륨 원자를 늦추는 시스템을 구축했습니다. 후자의 기술은 "처프 냉각"으로 알려져 있습니다. 우연의 일치로 핵심 기술 중 하나를 개발한 과학자들도 Holmdel에 있었습니다.

이 시점에서 Chu는 1부에서 논의한 대로 원자의 전이 주파수 바로 아래의 주파수로 조정된 1개의 수직 쌍의 역전파 레이저 빔으로 원자를 조명하여 원자를 사전 냉각할 것을 제안했습니다. 이 구성은 냉각력을 제공합니다. XNUMX차원 모두에서 동시에: 위로 이동하는 원자는 아래로 향하는 레이저 빔을 봅니다. 도플러가 위로 이동하고 광자를 흡수하고 속도가 느려집니다. 왼쪽으로 움직이는 원자는 오른쪽으로 이동하는 빔의 광자가 위로 이동하는 것을 봅니다. 원자가 어느 방향으로 움직이든, 원자는 그 움직임에 반대되는 힘을 느낍니다. 점성 유체에서 수영하는 사람의 곤경과 유사하다는 점 때문에 Chu는 이를 "광학 당밀"이라고 불렀습니다(그림 XNUMX).

Bell Labs 팀은 1985년에 처프 냉각 빔에서 수천 개의 원자를 수집하여 광학 당밀을 시연했습니다. 이름에 걸맞게 광학 당밀은 매우 "끈적끈적"하여 원자가 밖으로 나가기 전에 약 XNUMX분의 XNUMX초(원자 물리학에서는 사실상 영원함) 동안 겹치는 광선에 원자를 붙잡고 있었습니다. 당밀 영역에 있는 동안 원자는 냉각 레이저의 빛을 지속적으로 흡수하고 다시 방출하므로 확산되어 빛나는 구름처럼 보입니다. 총 빛의 양은 원자 수를 쉽게 측정할 수 있게 해주었습니다.

Ashkin, Chu 및 그들의 동료들은 또한 원자의 온도를 추정할 수 있었습니다. 그들은 당밀에 얼마나 많은 원자가 있는지 측정하고, 잠시 동안 빛을 껐다가 다시 켜고 그 수를 다시 측정함으로써 이를 수행했습니다. 어두운 기간 동안 원자 구름은 팽창하고 일부 원자는 당밀 광선 영역을 탈출합니다. 이 탈출 속도를 통해 팀은 원자의 온도를 약 240 마이크로켈빈으로 계산할 수 있었습니다. 이는 레이저 냉각 나트륨 원자의 예상 최소값과 일치합니다.

당밀을 함정으로 만들기

끈적임에도 불구하고 광학 당밀은 함정이 아닙니다. 원자의 속도가 느려지긴 하지만 일단 원자가 레이저 광선의 가장자리로 표류하면 탈출할 수 있습니다. 이와 대조적으로 트랩은 위치에 따라 힘을 공급하여 원자를 다시 중앙 영역으로 밀어냅니다.

트랩을 만드는 가장 간단한 방법은 Ashkin이 미세한 물체를 트랩하기 위해 개발한 광학 핀셋과 유사하게 집중된 레이저 빔을 사용하는 것입니다. 레이저 초점의 부피는 당밀 부피의 작은 부분이지만 Ashkin, Bjorkholm 및 (독립적으로) Chu는 그럼에도 불구하고 당밀의 무작위 확산을 통해 상당한 수의 원자가 그러한 트랩에 축적될 수 있음을 깨달았습니다. 그들이 당밀에 별도의 포획 레이저 빔을 추가했을 때 결과는 유망했습니다. 확산된 당밀 구름에 수백 개의 포획된 원자를 나타내는 작은 밝은 점이 나타났습니다.

그러나 그 이상으로 나아가는 것은 기술적 과제를 안겨주었습니다. 문제는 단일 빔 광학 트래핑을 가능하게 하는 원자 에너지 수준의 변화가 냉각 과정을 방해한다는 것입니다. 트래핑 레이저가 원자의 바닥 상태 에너지를 낮추면 냉각 레이저의 유효 주파수 디튜닝이 변경됩니다. 두 번째 레이저를 사용하고 냉각과 트래핑을 번갈아 사용하면 트래핑할 수 있는 원자 수가 늘어나지만 복잡성이 더 커집니다. 더 많은 진전을 이루려면 물리학자들은 더 차가운 원자나 더 나은 트랩이 필요합니다.

프랑스의 연결

둘 다 지평선에있었습니다. 클로드 코헨 타누지 파리 고등사범학교(ENS)의 그의 그룹은 주로 이론적인 측면에서 레이저 냉각을 다루고 있었습니다. 진 달리바드, 당시 그룹에서 새로 박사 학위를 취득한 사람은 Ashkin과의 이론적 분석을 연구했던 것을 기억합니다. 짐 고든 (“환상적인 논문”) 및 V의 소련 듀오ladilen Letokhov와 Vladimir Minogin, 누가 (Boris D Pavlik과 함께))는 1977년에 레이저 냉각으로 달성할 수 있는 최소 온도를 도출했습니다.

1부에서 살펴본 것처럼 이 최소 온도는 도플러 냉각 한계로 알려져 있으며, 이는 원자가 냉각 빔 중 하나에서 빛을 흡수한 후 광자를 다시 방출할 때 발생하는 무작위 "킥"에서 비롯됩니다. 이 "한계"가 실제로 얼마나 확고한지 궁금해서 Dalibard는 원자를 가능한 한 "어둠 속에" 유지하는 방법을 찾았습니다. 이를 위해 그는 표준 도플러 냉각 이론에서는 포착할 수 없는 실제 원자의 특성을 이용했습니다. 실제 원자 상태는 단일 에너지 준위가 아니라 에너지는 동일하지만 각운동량이 다른 하위 준위의 집합입니다(그림 2).

이러한 다양한 하위 수준 또는 운동량 상태는 자기장이 있을 때 에너지를 변경합니다(Zeeman 효과). 자기장이 강해지면 일부 상태의 에너지는 증가하고 다른 상태는 감소합니다. 그런 다음 필드의 방향이 바뀌면 이러한 역할이 반전됩니다. 더욱 복잡한 요소는 레이저 광의 편광에 따라 어느 하위 준위가 광자를 흡수할지 결정한다는 것입니다. 한 분극은 각운동량을 증가시키는 방식으로 상태 간에 원자를 이동시키는 반면, 다른 분극은 각운동량을 감소시킵니다.

그의 이론적 분석에서 Dalibard는 이러한 하위 준위를 어떤 지점에서는 3이고 원자가 바깥쪽으로 이동할 때 증가하는 자기장과 결합했습니다. 그렇게 함으로써 그는 효과적인 레이저 주파수 디튜닝이 원자의 위치에 의존하는 상황을 만들었습니다. (Phillip과 동료들은 자기 트랩에 유사한 구성을 사용했지만 훨씬 더 높은 자기장에서 사용했습니다.) 따라서 원자는 디튜닝, 도플러 이동 및 Zeeman 이동의 조합이 딱 맞는 특정 위치에서만 특정 레이저로부터 흡수할 수 있었습니다. 그림 XNUMX).

Dalibard는 이러한 방식으로 빛을 흡수하는 원자의 능력을 제한하면 최소 온도가 낮아질 수 있기를 바랐습니다. 그는 그렇지 않을 것이라고 계산한 후 그 아이디어를 폐기했습니다. "나는 그것이 트랩인 것을 보았지만 트랩을 찾고 있던 것이 아니라 서브 도플러 냉각을 찾고 있었습니다"라고 그는 설명합니다.

그 일이 없었다면 거기서 끝났을지도 몰라 데이브 프리차드, 1986년 파리 그룹을 방문한 매사추세츠 공과대학의 물리학자. 방문 중에 Pritchard는 대용량 트랩을 생산하기 위한 아이디어에 대해 이야기하고 다른 더 나은 제안을 환영한다고 말하면서 마무리했습니다.

"나는 Dave에게 가서 '글쎄, 나에게 아이디어가 있는데 그것이 더 나은지는 잘 모르겠지만 당신의 아이디어와는 다릅니다'라고 말했습니다."라고 Dalibard는 회상합니다. Pritchard는 Dalibard의 아이디어를 미국으로 가져갔고 1987년에 그와 Chu는 Dalibard의 분석을 바탕으로 최초의 MOT(광자기 트랩)를 만들었습니다. Dalibard는 결과 논문의 공동 저자가 되었지만 인정을 받은 것만으로도 기뻤습니다.

MOT가 레이저 냉각 개발에 얼마나 혁명적인 역할을 했는지는 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 이는 강력한 트랩을 생성하기 위해 단일 레이저 주파수와 상대적으로 약한 자기장만 필요로 하는 비교적 간단한 장치입니다. 하지만 무엇보다도 가장 좋은 점은 용량입니다. 추와 애쉬킨의 첫 번째 전광학 트랩은 수백 개의 원자를 보유했고, 필립스의 첫 번째 자기 트랩은 수천 개를 보유했지만, 최초의 광자기 트랩은 천만 개의 원자를 보유했습니다. 콜로라도 대학교의 Carl Wieman이 값싼 다이오드 레이저를 도입한 것과 함께(자세한 내용은 이 시리즈의 3부에서 설명) MOT의 출현으로 인해 전 세계적으로 레이저 냉각을 연구하는 그룹 수가 급격히 폭발적으로 늘어났습니다. 연구 속도가 빨라질 예정이었습니다.

머피의 법칙에는 휴일이 있습니다.

Pritchard와 Chu가 최초의 MOT를 구축하는 동안 Phillips와 그의 Gaithersburg 동료들은 광학 당밀과 관련하여 매우 특이한 문제에 직면했습니다. 실험 물리학의 모든 기대와는 달리 당밀은 너무 잘 작동했습니다. 실제로 일부 광선이 부분적으로 차단된 경우에도 원자를 냉각시킬 수 있습니다.

이 발견은 부분적으로 레이저 냉각이 Phillips의 측면 프로젝트로 예정되어 있었기 때문에 그의 연구실이 기계 공장과 연결된 준비실에 설치되었기 때문에 이루어졌습니다. 실험실의 진공 시스템에 작업장의 먼지와 기름이 쌓이는 것을 방지하기 위해 그룹 구성원은 밤에 시스템의 창문을 플라스틱이나 여과지로 덮었습니다. “때때로 이렇게 일그러져 보이는 당밀을 얻게 되는 경우도 있습니다.”라고 회상합니다. 폴 레트1986년에 그룹에 합류한 , “그리고 나면 우리가 그 여과지를 꺼내지 않았다는 것을 알게 될 것입니다. 그것이 전혀 효과가 있다는 것이 놀랍습니다.”

이러한 놀라운 끈기로 인해 Lett는 새로운 온도 측정 세트를 포함하여 보다 체계적인 연구를 추진하게 되었습니다. 벨 연구소 연구팀이 개발한 '방출-탈환' 방법은 상대적으로 불확실성이 크기 때문에 필립스 연구팀은 당밀 근처에 배치된 탐침 빔을 원자가 교차할 때 방출되는 빛을 감지하는 새로운 방법을 시도했습니다. 당밀이 꺼지면 원자는 날아갈 것입니다. 그들이 탐사선에 도달하는 데 걸린 시간은 속도와 온도를 직접적으로 측정할 수 있습니다.

모든 레이저 냉각 실험과 마찬가지로 필립스 연구실은 많은 렌즈와 거울을 작은 공간에 넣었고 프로브를 놓기에 가장 편리한 위치는 당밀 영역보다 약간 높은 것으로 나타났습니다. 이것은 도플러 한계 속도로 이동하는 원자에 대해 잘 작동해야 했지만 Lett가 실험을 시도했을 때 원자가 프로브에 도달하지 못했습니다. 결국 그와 그의 동료들은 탐사선의 위치를 ​​당밀 아래로 옮겼고, 그 지점에서 그들은 아름다운 신호를 보았습니다. 단 한 가지 문제가 있었습니다. 도플러 냉각 한계는 240마이크로켈빈이었지만 이 "비행 시간" 측정에서는 온도가 40마이크로켈빈으로 나타났습니다.

이 결과는 "무엇이든 잘못될 수 있다"는 금언인 머피의 법칙을 위반하는 것으로 보이므로 그들은 즉시 이를 받아들이려고 하지 않았습니다. 그들은 향상된 방출 및 재포획을 포함하여 여러 가지 다른 기술을 사용하여 온도를 다시 측정했지만 계속 동일한 결과를 얻었습니다. 원자는 이론이 가능하다고 말한 것보다 훨씬 더 차갑습니다.

1988년 초에 Phillips와 회사는 밀접하게 연결된 레이저 냉각기 커뮤니티의 다른 그룹에 연락하여 자체 실험실의 온도를 확인하도록 요청했습니다. Chu와 Wieman은 놀라운 결과를 재빨리 확인했습니다. 광학 당밀은 원자를 식힐 뿐만 아니라 이론이 말한 것보다 더 잘 작동한다는 것입니다.

언덕을 오르다

파리 그룹은 아직 실험 프로그램을 갖고 있지 않았지만 Dalibard와 Cohen-Tannoudji는 Dalibard가 MOT를 개발하는 데 사용한 것과 동일한 실제 요인, 즉 다중 내부 원자 상태를 통해 문제를 이론적으로 공격했습니다. 나트륨의 바닥 상태에는 동일한 에너지를 갖는 XNUMX개의 하위 준위가 있으며, 이러한 상태 간의 원자 분포는 빛의 강도와 편광에 따라 달라집니다. "광학 펌핑"이라고 불리는 이 분포 프로세스는 파리의 Cohen-Tannoudji 휘하 ENS에서 진행되는 분광학 연구의 핵심이므로 그의 그룹은 이러한 추가 상태가 레이저 냉각을 개선할 수 있는 방법을 탐구하는 데 매우 적합했습니다.

주요 특징은 고전 물리학에서 빛의 진동 전기장의 축에 해당하는 레이저 빛의 편광으로 밝혀졌습니다. XNUMX개의 역전파 빔의 조합은 빔이 광학 당밀 내의 서로 다른 위치에서 서로 다른 방식으로 결합됨에 따라 복잡한 편광 분포를 생성합니다. 원자는 지속적으로 광학적으로 다양한 구성으로 펌핑되어 냉각 과정을 확장하고 온도를 낮출 수 있습니다.

1988년 여름까지 Dalibard와 Cohen-Tannoudji는 서브도플러 냉각을 설명하기 위한 우아한 모델을 고안했습니다. (Chu는 독립적으로 유사한 결과에 도달했는데, 그는 유럽에서 두 회의 사이에 기차에서 파생된 것을 회상합니다.) 그들은 전통적으로 –½과 +½로 표시되고 두 개의 레이저 빔이 전파되는 두 개의 바닥 상태 하위 준위만 있는 단순화된 원자를 고려했습니다. 반대 선형 편광과 반대 방향. 이는 σ로 표시된 두 개의 편광 상태를 번갈아 표시하는 패턴을 생성합니다.^- 및 σ⁺.

σ 영역의 원자^- 편광은 광학적으로 -½ 상태로 펌핑되어 내부 에너지를 낮추는 큰 광 이동을 경험합니다. 원자가 σ쪽으로 이동함에 따라⁺ 편광 영역에서 빛의 이동은 감소하고 원자는 보상을 위해 속도를 줄여야 하며, 공이 언덕을 굴러가는 것처럼 내부 에너지의 증가를 보상하기 위해 운동 에너지를 잃습니다. σ에 도달하면⁺ 빛이 없으면 광학 펌핑으로 인해 +½ 상태로 전환되며 이는 큰 빛 이동을 갖습니다. 원자는 σ에서 "언덕"을 오르며 잃어버린 에너지를 되찾지 못합니다.^- 하지만 프로세스가 다시 시작됨에 따라 더 느리게 움직이게 됩니다. 빛의 이동은 다음 σ로 이동함에 따라 감소합니다.^- 영역이므로 에너지를 잃은 다음 광학적으로 –½로 펌핑됩니다.

끊임없이 "언덕"을 오르면서 에너지를 잃는 이 과정은 생생한 이름을 제공했습니다. Dalibard와 Cohen-Tannoudji는 그것을 Sisyphus 냉각이라고 불렀습니다. 그리스 신화에서 바위를 언덕 위로 밀어 올리다가 바위가 미끄러지는 형벌을 받은 왕의 이름을 따서 말입니다. 멀리서 바닥으로 돌아갑니다(그림 4). 광학 당밀 속의 원자도 비슷한 곤경에 처해 있습니다. 항상 언덕을 오르고 에너지를 잃어 광학 펌핑을 통해 원자를 바닥으로 되돌려 다시 시작하게 만드는 것입니다.

시시포스의 보상

Sisyphus 냉각의 기본 이론은 최저 온도와 레이저 디튜닝 및 자기장에 따라 온도가 어떻게 달라지는지에 대한 구체적인 예측을 제공합니다. 이러한 예측은 전 세계 실험실에서 빠르게 확인되었습니다. 1989년 가을, 미국 광학 학회지 B 레이저 냉각에 관한 특집호 출판 Gaithersburg의 Phillips 그룹의 실험 결과, 파리의 Sisyphus 이론, 당시 Bell Labs에서 캘리포니아의 Stanford University로 옮겨진 Chu 그룹의 실험 및 이론이 결합된 논문이 포함되어 있습니다. 다음 XNUMX년 동안 이 특별호는 레이저 냉각을 이해하려는 학생들에게 결정적인 자료로 간주되었으며 Cohen-Tannoudji와 Chu는 계속해서 1997년 노벨 물리학상 필립스와 함께.

한계에 도달하면 시지프스 효과는 원자가 더 이상 단일 "언덕"을 오를 만큼 충분한 에너지를 갖지 못하고 대신 단일 분극의 작은 영역에 국한되는 지점까지 원자를 냉각시킬 수 있습니다. 이러한 제한은 갇힌 이온만큼 단단하므로 레이저 냉각의 두 가지 분기가 멋지게 대칭을 이룹니다. 1990년대 초에 갇힌 이온과 중성 원자는 둘 다 그들의 양자 특성이 명백해지는 체제로 냉각될 수 있었습니다. 트랩에 있는 단일 이온이나 Sisyphus 냉각에서 생성된 "우물"에 있는 원자는 특정 개별 에너지에서만 존재할 수 있습니다. 상태. 이러한 이산 상태는 곧 두 시스템 모두에서 측정되었습니다. 오늘날 그들은 원자와 이온을 사용하는 양자 컴퓨팅의 필수적인 부분입니다.

더욱 흥미로운 연구 방법은 우물 자체에 관한 것입니다. 이는 광선이 간섭할 때 형성되며, 레이저 파장의 절반 간격으로 큰 배열로 자연적으로 발생합니다. 이러한 소위 광학 격자의 주기적인 특성은 원자가 결정 격자에서 전자의 역할을 하는 고체 물질의 미세한 구조를 모방합니다. 이러한 유사성은 갇힌 원자를 초전도성과 같은 응집 물질 물리학 현상을 탐구하는 데 유용한 플랫폼으로 만듭니다.

그러나 차가운 원자로 초전도성을 실제로 탐구하려면 격자에 Sisyphus 냉각으로 달성할 수 있는 것보다 더 높은 밀도와 훨씬 더 낮은 온도의 원자가 로드되어야 합니다. 3부에서 살펴보겠지만, 거기에 도달하려면 또 다른 새로운 도구와 기술 세트가 필요하며 알려진 시스템의 유사체뿐만 아니라 완전히 새로운 물질 상태를 생성할 가능성을 열어줄 것입니다.

• 레이저 냉각의 역사 3부 채드 오젤 곧 출판될 예정이다 물리 세계

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