Kouder: hoe natuurkundigen de theoretische limiet voor laserkoeling versloegen en de basis legden voor een kwantumrevolutie – Physics World

Eind jaren zestig begon een kleine gemeenschap van onderzoekers krachten van licht te gebruiken om kleine voorwerpen rond te duwen. Binnen het volgende decennium breidde het veld zich uit met laserkoeling, een krachtige techniek die gebruik maakt van de Doppler shift om een ​​kracht te produceren die objecten alleen maar kan vertragen, en nooit kan versnellen. Naarmate de jaren verstreken, ontwikkelden deze nieuwe laserkoelingsexperimenten zich langs de twee parallelle sporen – ionen en atomen – die werden onderzocht in deel 1 van deze serie: “Koud: hoe natuurkundigen deeltjes leerden manipuleren en verplaatsen met laserkoeling”.

In veel opzichten hadden ionen al vroeg een voordeel. Vanwege hun elektrische lading ervaren ze elektromagnetische krachten, die sterk genoeg zijn om ervoor te zorgen dat ze bij hoge temperaturen in elektromagnetische vallen kunnen worden gevangen en door lasers op ultraviolette golflengten kunnen worden gekoeld. In 1981 hadden ionenvangers deze techniek zo verfijnd dat ze afzonderlijke ionen konden vangen en detecteren en er met ongekende precisie spectroscopie op konden uitvoeren.

Atomen daarentegen moeten worden afgeremd voordat ze kunnen worden gevangen door zwakkere krachten die worden uitgeoefend door licht en magnetische velden. Nog steeds, in 1985 Bill phillips en collega's bij de Amerikaans Nationaal Bureau voor Standaarden in Gaithersburg, Maryland, had licht gebruikt om een ​​straal natriumatomen bijna tot stilstand te brengen en ze vervolgens opgesloten in een magnetische val. Daarnaast leek de belangrijkste uitdaging voor potentiële atoomtemmers het voortbouwen op dit werk om het vangen van neutrale atomen efficiënter te maken, en het verleggen van de grenzen van het afkoelingsproces zelf.

Beide projecten zouden boven ieders verwachtingen slagen. En net zoals we in deel 1 zagen, gaan de wortels van dit succes terug naar Arthur Askin at Bell Labs.

Goed idee, onvoldoende uitvoering

Toen we Ashkin voor het laatst ontmoetten, was het 1970 en had hij net de ‘optische pincet’-techniek ontwikkeld die hem bijna vijftig jaar later een Nobelprijs zou opleveren. Tegen het einde van de jaren zeventig werkte hij samen met zijn Bell Labs-collega's aan experimenten met een atoombundel. “Rik Vrijman had een atoombundelmachine, en ik had een aantal experimenten die interessant zouden zijn om met een atoombundel te doen, maar ik was niet zo enthousiast over het bouwen van een atoombundelmachine”, herinnert Ashkin's toenmalige collega John Bjorkholm zich.

Door een laserstraal te laten overlappen met de straal atomen, lieten Ashkin en Bjorkholm zien dat het mogelijk was om de atomen te focusseren of te defocusseren door de frequentie van het licht aan te passen. Als de laser op rood is afgestemd – op een iets lagere frequentie dan de atomen “willen” absorberen – zou de interactie tussen atomen en licht de interne energie van de atomen verlagen (de “lichtverschuiving”), waardoor atomen in de laserstraal worden getrokken. Met de laser afgestemd op het blauw werden de atomen naar buiten geduwd.

Ashkin had verschillende ideeën om dit fenomeen om te zetten in een “volledig optische” methode voor het vangen van atomen (dat wil zeggen, zonder de magnetische velden die de groep van Phillips gebruikte). Helaas hadden Ashkin en Bjorkholm moeite om het te implementeren omdat de atoombundel van Freeman was gebouwd met plexiglasramen die de druk niet voldoende laag konden houden. De atomen en moleculen die van buitenaf naar binnen lekten, werden niet beïnvloed door de afkoelende lasers, en als gevolg daarvan schopten ze, toen ze in botsing kwamen met atomen in de straal, de doelatomen uit de val. Na een paar jaar van teleurstellende resultaten werd de leiding van Bell Labs verzuurd door de experimenten en zette Ashkin ertoe aan andere dingen na te streven.

Zwemmers in een stroperige vloeistof

Rond deze tijd verhuisde een jonge onderzoeker met een (zelfbenoemde) reputatie als "een man die moeilijke experimenten gedaan kon krijgen" naar een kantoor in de buurt van Ashkin's in de Holmdel-faciliteit van Bell Labs. Zijn naam was Steve Chu, en hij raakte geïnteresseerd in de ideeën van Ashkin. Samen bouwden ze een ultrahoogvacuümsysteem dat geschikt is voor het koelen en vangen van atomen, plus een systeem om natriumatomen te vertragen door de laserfrequentie snel te verschuiven om de veranderende Dopplerverschuiving te compenseren. Deze laatste techniek staat bekend als “chirp-koeling”; Door een gelukkig toeval waren de wetenschappers die een van de belangrijkste technologieën ontwikkelden, ook in Holmdel.

Op dit punt stelde Chu voor om de atomen voor te koelen door ze te belichten met drie loodrechte paren tegengesteld voortplantende laserstralen, allemaal afgestemd op een frequentie net onder de overgangsfrequentie van de atomen, zoals besproken in deel 1. Deze configuratie zorgt voor een koelkracht. in alle drie dimensies tegelijk: een atoom dat omhoog beweegt, ziet de naar beneden gerichte laserstraal Doppler omhoog verschuiven, absorbeert fotonen en vertraagt; een atoom dat naar links beweegt, ziet fotonen in de naar rechts gerichte straal naar boven verschuiven, enzovoort. Hoe de atomen ook bewegen, ze voelen een kracht die hun beweging tegenwerkt. De gelijkenis met het lot van een zwemmer in een stroperige vloeistof bracht Chu ertoe het ‘optische melasse’ te noemen (figuur 1).

Het team van Bell Labs demonstreerde in 1985 optische melasse, waarbij duizenden atomen werden verzameld uit een tjilpgekoelde straal. Zoals de naam betaamt, was de optische melasse erg ‘plakkerig’ en hield de atomen ongeveer een tiende van een seconde (praktisch een eeuwigheid in de atoomfysica) in de overlappende bundels vast voordat ze wegdwaalden. Terwijl ze zich in het melassegebied bevinden, absorberen en zenden de atomen voortdurend licht uit van de afkoelende lasers, zodat ze verschijnen als een diffuse gloeiende wolk. De totale hoeveelheid licht gaf een gemakkelijke maatstaf voor het aantal atomen.

Ashkin, Chu en hun medewerkers konden ook de temperatuur van de atomen schatten. Ze deden dit door te meten hoeveel atomen er in de melasse zaten, het licht een korte tijd uit te doen, het vervolgens weer aan te zetten en het aantal opnieuw te meten. Tijdens het donkere interval zou de atoomwolk uitzetten en sommige atomen zouden uit het gebied van de melassestralen ontsnappen. Dankzij deze ontsnappingssnelheid kon het team de temperatuur van de atomen berekenen: ongeveer 240 microkelvin – precies in lijn met het verwachte minimum voor lasergekoelde natriumatomen.

Van melasse een valstrik maken

Ondanks zijn plakkerigheid is optische melasse geen valstrik. Hoewel het atomen vertraagt, kunnen ze ontsnappen zodra ze naar de rand van de laserstralen drijven. Een val daarentegen levert een kracht die afhankelijk is van de positie, waardoor atomen teruggeduwd worden naar een centraal gebied.

De eenvoudigste manier om een ​​val te creëren is met een strak gerichte laserstraal, vergelijkbaar met het optische pincet dat Ashkin ontwikkelde voor het vangen van microscopisch kleine voorwerpen. Hoewel het volume van de laserfocus een klein deel uitmaakt van het volume van de melasse, realiseerden Ashkin, Bjorkholm en (onafhankelijk) Chu zich dat een aanzienlijk aantal atomen zich toch in zo'n val kon ophopen door willekeurige diffusie in de melasse. Toen ze een aparte, vangende laserstraal aan hun melasse toevoegden, waren de resultaten veelbelovend: er verscheen een klein lichtpuntje in de diffuse melassewolk, die enkele honderden gevangen atomen vertegenwoordigde.

Verder gaan dan dat bracht echter technische uitdagingen met zich mee. Het probleem is dat de verschuiving in atomaire energieniveaus die optische invanging met één bundel mogelijk maakt, het koelproces belemmert: wanneer de invangingslaser de energie van de grondtoestand van het atoom verlaagt, verandert dit de effectieve frequentie-ontstemming van de koellaser. Het gebruik van een tweede laser en het afwisselen tussen koelen en vangen verbetert het aantal atomen dat kan worden opgevangen, maar gaat ten koste van extra complexiteit. Om verdere vooruitgang te boeken, zouden natuurkundigen koudere atomen of een betere valstrik nodig hebben.

De Franse connectie

Beiden stonden aan de horizon. Claude Cohen-Tannoudji en zijn groep aan de École Normale Supérieure (ENS) in Parijs hielden zich vooral bezig met laserkoeling vanuit de theoretische kant. Jean Dalibard, toen een nieuw doctoraat in de groep, herinnert zich het bestuderen van theoretische analyses van Ashkin en Jim Gordon (“een fantastisch artikel”) en door het Sovjetduo Vladilen Letokhov en Vladimir Minogin, die (met Boris D Pavlik) had in 1977 de minimumtemperatuur afgeleid die haalbaar was met laserkoeling.

Zoals we in deel 1 hebben gezien, staat deze minimumtemperatuur bekend als de Doppler-afkoellimiet, en komt voort uit de willekeurige ‘kicks’ die optreden wanneer atomen opnieuw fotonen uitzenden nadat ze licht van een van de koelstralen hebben geabsorbeerd. Nieuwsgierig naar hoe stevig deze ‘grens’ werkelijk was, zocht Dalibard naar manieren om de atomen zoveel mogelijk ‘in het donker’ te houden. Om dit te doen, maakte hij gebruik van een eigenschap van echte atomen die niet wordt vastgelegd in de standaard Doppler-koelingstheorie: echte atomaire toestanden zijn geen afzonderlijke energieniveaus, maar verzamelingen van subniveaus met dezelfde energie maar verschillende hoekmomenten (figuur 2).

Deze verschillende subniveaus, of momentumtoestanden, veranderen de energie in de aanwezigheid van een magnetisch veld (het Zeeman-effect). Naarmate het veld sterker wordt, nemen sommige staten in energie toe, terwijl andere afnemen. Deze rollen worden vervolgens omgedraaid wanneer de richting van het veld omkeert. Een verdere complicerende factor is dat de polarisatie van het laserlicht bepaalt welke subniveaus fotonen zullen absorberen. Terwijl de ene polarisatie atomen tussen toestanden verplaatst op een manier die het impulsmoment vergroot, verlaagt een andere polarisatie dit.

In zijn theoretische analyse combineerde Dalibard deze subniveaus met een magnetisch veld dat op een gegeven moment nul is en toeneemt naarmate de atomen naar buiten bewegen. Daarbij creëerde hij een situatie waarin de effectieve ontstemming van de laserfrequentie afhankelijk was van de positie van de atomen. (Phillips en collega's gebruikten een vergelijkbare configuratie voor hun magnetische val, maar op een veel hoger veld.) Atomen konden daarom alleen van een bepaalde laser absorberen op de specifieke positie waar de combinatie van ontstemming, Dopplerverschuiving en Zeemanverschuiving precies goed was ( figuur 3).

Dalibard hoopte dat het beperken van het vermogen van atomen om op deze manier licht te absorberen hun minimumtemperatuur zou kunnen verlagen. Nadat hij had berekend dat dit niet het geval zou zijn, legde hij het idee weg. “Ik zag dat het een valstrik was, maar ik was niet op zoek naar een valstrik, ik zocht naar sub-Doppler-koeling”, legt hij uit.

Als dat niet het geval was geweest, zou dit het punt zijn geweest waarop het zou zijn geëindigd Dave Pritchard, een natuurkundige aan het Massachusetts Institute of Technology die de Parijse groep in 1986 bezocht. Tijdens het bezoek hield Pritchard een lezing over ideeën voor het produceren van vallen in grotere volumes, en eindigde met te zeggen dat hij andere – betere – suggesties zou verwelkomen.

"Ik ging naar Dave en zei: 'Nou, ik heb een idee, en ik ben er niet zo zeker van dat het beter is, maar het is anders dan het jouwe'", herinnert Dalibard zich. Pritchard nam het idee van Dalibard mee naar de VS, en in 1987 bouwden hij en Chu de eerste magneto-optische val (MOT) op basis van de analyse van Dalibard. Dalibard kreeg het co-auteurschap aangeboden van het resulterende artikel, maar was blij dat hij simpelweg werd erkend in de dankbetuigingen.

Het is moeilijk te overschatten hoe revolutionair de MOT was voor de ontwikkeling van laserkoeling. Het is een relatief eenvoudig apparaat, dat slechts een enkele laserfrequentie en een relatief zwak magnetisch veld nodig heeft om sterke vallen te produceren. Het beste van alles is echter de capaciteit. De eerste volledig optische val van Chu en Ashkin bevatte honderden atomen, de eerste magnetische val van Phillips enkele duizenden, maar de eerste magneto-optische val bevatte tien miljoen atomen. Samen met de introductie van goedkope diodelasers door Carl Wieman aan de Universiteit van Colorado (waarover meer in deel 3 van deze serie), veroorzaakte de komst van de MOT een snelle explosie van het aantal groepen dat wereldwijd laserkoeling bestudeert. Het tempo van het onderzoek stond op het punt te versnellen.

De wet van Murphy neemt vakantie

Terwijl Pritchard en Chu de eerste APK aan het bouwen waren, stuitten Phillips en zijn Gaithersburg-collega's op een uiterst ongebruikelijk probleem met hun optische melasse. In tegenstelling tot alle verwachtingen van de experimentele natuurkunde werkte de melasse te goed. In feite zou het atomen kunnen afkoelen, zelfs als sommige van zijn bundels gedeeltelijk geblokkeerd zijn.

Deze ontdekking kwam gedeeltelijk tot stand omdat laserkoeling het zijproject van Phillips zou zijn, dus zijn laboratorium was opgezet in een voorbereidingsruimte die verbonden was met een machinewerkplaats. Om te voorkomen dat winkelstof en vet zich ophoopten op het vacuümsysteem van het laboratorium, bedekten leden van de groep 's nachts de ramen van het systeem met plastic of filterpapier. "Af en toe kreeg je echt vervormde melasse", herinnert zich Paul Lett, die zich in 1986 bij de groep voegde, 'en dan zou je beseffen dat we dat stukje filterpapier er niet uit hebben gehaald. Het was opmerkelijk dat het überhaupt werkte.”

Deze verrassende volharding bracht Lett ertoe aan te dringen op een meer systematisch onderzoek, inclusief een nieuwe reeks temperatuurmetingen. De door de Bell Labs-groep ontwikkelde 'release-and-recapture'-methode had relatief grote onzekerheden, dus probeerde de groep van Phillips een nieuwe methode waarbij het licht werd gedetecteerd dat werd uitgezonden toen atomen een sondestraal kruisten die in de buurt van de melasse was geplaatst. Als de melasse werd uitgeschakeld, vlogen de atomen weg. De tijd die ze nodig hadden om de sonde te bereiken zou een directe maatstaf zijn voor hun snelheid, en dus voor hun temperatuur.

Zoals bij alle laserkoelingsexperimenten stopte het laboratorium van Phillips een heleboel lenzen en spiegels in een kleine ruimte, en de handigste plaats om de sonde te plaatsen bleek iets boven het melassegebied te zijn. Dit had prima moeten werken voor atomen die met hun Doppler-limietsnelheid reizen, maar toen Lett het experiment probeerde, bereikten geen atomen de sonde. Uiteindelijk verplaatsten hij en zijn collega's de positie van de sonde naar onder de melasse, waarna ze een prachtig signaal zagen. Er was slechts één probleem: de Doppler-koellimiet was 240 microkelvin, maar deze ‘time-of-flight’-meting toonde een temperatuur van 40 microkelvin.

Dit resultaat lijkt in strijd te zijn met de wet van Murphy, de uitspraak dat “alles wat fout kan gaan, zal gebeuren”, dus waren ze niet bereid het onmiddellijk te accepteren. Ze maten de temperatuur opnieuw met behulp van verschillende technieken, waaronder een verbeterde afgifte en hervanging, maar ze kregen steeds hetzelfde resultaat: de atomen waren veel kouder dan volgens de theorie mogelijk was.

Begin 1988 namen Phillips en zijn bedrijf contact op met andere groepen in de hechte gemeenschap van laserkoelers en vroegen hen de temperaturen in hun eigen laboratoria te controleren. Chu en Wieman bevestigden al snel het verrassende resultaat: optische melasse werkte niet alleen om atomen af ​​te koelen, het werkte ook beter dan de theorie beweerde.

Een heuvel beklimmen

De Parijse groep had nog geen experimenteel programma, maar Dalibard en Cohen-Tannoudji vielen het probleem theoretisch aan via dezelfde reële factor die Dalibard gebruikte om de MOT te ontwikkelen: meerdere interne atomaire toestanden. De grondtoestand van natrium heeft vijf subniveaus met dezelfde energie, en de verdeling van atomen over die toestanden hangt af van de intensiteit en polarisatie van het licht. Dit distributieproces, ‘optisch pompen’ genoemd, stond centraal in het spectroscopische onderzoek dat plaatsvond bij de ENS in Parijs onder leiding van Cohen-Tannoudji, dus zijn groep was bij uitstek geschikt om te onderzoeken hoe deze extra toestanden de laserkoeling konden verbeteren.

Het belangrijkste kenmerk blijkt de polarisatie van het laserlicht te zijn, die in de klassieke natuurkunde overeenkomt met de as van het oscillerende elektrische veld van het licht. De combinatie van zes tegengesteld voortplantende bundels produceert een gecompliceerde verdeling van polarisaties, aangezien de bundels op verschillende manieren op verschillende plaatsen in de optische melasse worden gecombineerd. De atomen worden voortdurend optisch in verschillende configuraties gepompt, waardoor het koelproces wordt verlengd en lagere temperaturen mogelijk zijn.

In de zomer van 1988 hadden Dalibard en Cohen-Tannoudji een elegant model bedacht om sub-Doppler-koeling te verklaren. (Chu kwam onafhankelijk van elkaar tot een soortgelijk resultaat, dat hij zich herinnert in een trein tussen twee conferenties in Europa.) Ze beschouwden een vereenvoudigd atoom met slechts twee grondtoestand-subniveaus, traditioneel gelabeld als –½ en +½, verlicht door twee laserstralen die zich voortplanten in de ruimte. tegengestelde richtingen met tegengestelde lineaire polarisaties. Hierdoor ontstaat een patroon dat afwisselt tussen twee polarisatietoestanden, genaamd σ^- en σ⁺.

Een atoom in een gebied van σ^- polarisatie zal optisch in de –½ toestand worden gepompt, die een grote lichtverschuiving ervaart die zijn interne energie verlaagt. Terwijl het atoom naar de σ beweegt⁺ polarisatiegebied neemt de lichtverschuiving af en moet het atoom vertragen om dit te compenseren, waarbij kinetische energie verloren gaat om de toename van de interne energie te compenseren, zoals een bal die een heuvel oprolt. Wanneer het de σ bereikt⁺ licht, optisch pompen zal ervoor zorgen dat het overschakelt naar de +½ toestand, wat een grote lichtverschuiving heeft. Het atoom krijgt de energie die het verloor bij het beklimmen van de “heuvel” uit de σ niet terug^- regio echter, dus het beweegt langzamer naarmate het proces opnieuw begint: de lichtverschuiving neemt af naarmate het naar de volgende σ beweegt^- gebied, zodat het energie verliest en vervolgens optisch naar –½ pompt, enzovoort.

Dit proces van energieverlies door voortdurend ‘heuvels’ te beklimmen, leverde een levendige naam op: Dalibard en Cohen-Tannoudji noemden het Sisyphus-koeling, naar de koning in de Griekse mythe die veroordeeld was om voor eeuwig een rotsblok een heuvel op te duwen, alleen maar om de rots te laten wegglijden. weg en keer terug naar de bodem (figuur 4). Atomen in optische melasse bevinden zich in een soortgelijke situatie, waarbij ze altijd heuvels beklimmen en energie verliezen, waarna ze door optisch pompen naar de bodem worden teruggebracht en gedwongen opnieuw te beginnen.

De beloningen van Sisyphus

De theorie achter Sisyphus-koeling doet concrete voorspellingen over minimumtemperaturen en hoe deze afhankelijk zijn van de laserontstemming en het magnetische veld. Deze voorspellingen werden snel bevestigd in laboratoria over de hele wereld. In het najaar van 1989 werd de Publicatieblad van de Optical Society of America B publiceerde een speciale uitgave over laserkoeling met experimentele resultaten van de groep van Phillips in Gaithersburg, de Sisyphus-theorie uit Parijs, en een gecombineerd experimenteel en theoretisch artikel van de groep van Chu, die inmiddels was verhuisd van Bell Labs naar Stanford University in Californië. Gedurende het grootste deel van het volgende decennium werd dit speciale nummer beschouwd als de definitieve bron voor studenten die laserkoeling wilden begrijpen, en Cohen-Tannoudji en Chu deelden vervolgens de 1997 Nobelprijs voor Natuurkunde met Philips.

Als het tot het uiterste wordt doorgevoerd, kan het Sisyphus-effect atomen afkoelen tot het punt waarop ze niet langer genoeg energie hebben om zelfs maar een enkele ‘heuvel’ te beklimmen en in plaats daarvan beperkt blijven tot een klein gebied met een enkele polarisatie. Deze opsluiting is net zo strak als voor gevangen ionen, waardoor de twee takken van laserkoeling mooi symmetrisch zijn. Aan het begin van de jaren negentig konden gevangen ionen en neutrale atomen beide worden afgekoeld tot een regime waarin hun kwantumkarakter duidelijk wordt: een enkel ion in een val, of een atoom in een ‘put’ gecreëerd bij Sisyphus-koeling, kan alleen bestaan ​​in bepaalde discrete energie. staten. Deze discrete toestanden werden al snel voor beide systemen gemeten; Tegenwoordig vormen ze een essentieel onderdeel van kwantumcomputers met atomen en ionen.

Een andere intrigerende onderzoeksrichting betrof de putten zelf. Deze worden gevormd wanneer lichtstralen interfereren, en komen van nature voor in grote arrays met een tussenruimte van de helft van de lasergolflengte. De periodieke aard van deze zogenaamde optische roosters bootst de microscopische structuur van vaste materie na, waarbij de atomen de rol spelen van elektronen in een kristalrooster. Deze gelijkenis maakt gevangen atomen tot een nuttig platform voor het onderzoeken van fysische verschijnselen van de gecondenseerde materie, zoals supergeleiding.

Om supergeleiding met koude atomen echt te onderzoeken, moet het rooster echter worden geladen met atomen met een hogere dichtheid en een nog lagere temperatuur dan kan worden bereikt met Sisyphus-koeling. Zoals we in deel 3 zullen zien, zou het bereiken van dit doel nog een nieuwe reeks gereedschappen en technieken vergen, en de mogelijkheid openen om niet alleen analogen van bekende systemen te creëren, maar geheel nieuwe toestanden van de materie.

• Deel 3 van de geschiedenis van laserkoeling door Tsjaad Orzel wordt binnenkort gepubliceerd op Natuurkunde wereld

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. Automotive / EV's, carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• ChartPrime. Verhoog uw handelsspel met ChartPrime. Toegang hier.
• BlockOffsets. Eigendom voor milieucompensatie moderniseren. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/colder-how-physicists-beat-the-theoretical-limit-for-laser-cooling-and-laid-the-foundations-for-a-quantum-revolution/