Kaldeste: hvordan et brev til Einstein og fremskritt innen laserkjølingsteknologi førte fysikere til nye kvantetilstander av materie – Physics World

I løpet av de siste to tiårene av 20-tallet slo atomfysikere gjentatte ganger rekorden for den kaldeste temperaturen i universet. Disse prestasjonene hviler på en håndfull fremskritt, inkludert laserkjøling (som beskrevet i del 1 av denne historien), den magneto-optiske fellen og teknikker som Sisyphus-kjøling som fungerte bedre enn forventet (som beskrevet i del 2). I 1990 kjølte fysikere rutinemessig titalls millioner atomer til temperaturer noen titalls mikrokelvin over absolutt null - tusen ganger kaldere enn konvensjonell kryogenikk og en brøkdel av "Doppler-kjølingsgrensen" som ble spådd for laserkjølende enkle atomer.

Like dramatisk som dette stupet var, lokket imidlertid et enda mer utfordrende temperaturfall: en ytterligere faktor på 1000, fra mikrokelvin til nanokelvin. Denne ekstra dråpen ville introdusere et nytt rike av fysikk kjent som kvantedegenerasjon. Her tvinger lave temperaturer og høye tettheter atomer inn i en av to eksotiske tilstander av materie: enten en Bose–Einstein-kondensat (BEC), der alle atomene i en gass smelter sammen til samme kvantetilstand, eller en degenerert Fermi-gass (DFG), der den totale energien til gassen slutter å avta fordi alle tilgjengelige energitilstander er fulle (figur 1).

BEC-er og DFG-er er rene kvantefenomener, og et atoms totale spinn dikterer hvilken av dem som vil dannes. Hvis atomet har et jevnt antall elektroner, protoner og nøytroner, er det et boson og kan gjennomgå BEC. Hvis totalen er merkelig, er den en fermion og kan lage en DFG. Ulike isotoper av det samme elementet oppfører seg noen ganger på motsatte måter - fysikere har laget BEC-er av litium-7 og DFG-er med litium-6 - og denne forskjellen i lavtemperatur-oppførsel er en av de mest dramatiske demonstrasjonene av den grunnleggende inndelingen mellom kvantepartikler.

Som med tidligere gjennombrudd beskrevet i denne serien, kom dykket til kvantedegenerasjon takket være ny teknologi introdusert i forskningslaboratorier spredt rundt i verden. Og – igjen som med de tidligere fremskrittene – kom en av disse teknologiene helt ved en tilfeldighet.

Laserkjøling til en billig penge

I midten av 1980s, Carl Wieman studerte paritetsbrudd i cesiumatomer ved University of Colorado, Boulder, i USA. Disse studiene krever tidkrevende og krevende spektroskopimålinger, og Wiemans doktorgradsstudent Rich Watts utviklet en måte å gjøre dem på ved hjelp av diodelasere som de som produseres av millioner for CD-spillere.

Etter å ha brukt år på å finne ut hvordan de skulle stabilisere og kontrollere disse billige solid-state-enhetene, ønsket Watts (ganske rimelig) å fullføre doktorgraden sin, så han og Wieman så seg rundt etter et kortere eksperiment for å teste dem. Svaret de traff på var laserkjøling. "Det var en morsom liten sideting å fullføre denne studentens oppgave," husker Wieman, "og det var helt slik jeg kom inn i [laserkjøling]."

I 1986 ble Watts og Wieman først for å laserkjøle en stråle av cesiumatomer. Watts var også den første som laserkjølte rubidium, som postdoc med Hal Metcalf ved Stony Brook University i New York, og han deltok i de seminale eksperimentene som avslørte sub-Doppler-avkjøling Bill Phillips' lab ved US National Institute of Standards and Technology (NIST) i Gaithersburg, Maryland. Men som en annen nøkkelspiller vi vil møte i denne historien, forlot Watts scenen for tidlig, og døde bare 39 år gammel i 1996.

Wieman trengte i mellomtiden et nytt vitenskapelig mål, noe som bare kunne gjøres med kalde atomer. Han, sammen med nye kolleger og konkurrenter, fant det i en veldig gammel idé med en upåklagelig vitenskapelig stamtavle: Bose–Einstein-kondensering.

Et løp til bunns

i 1924 Satyendra Nath Bose var fysiker ved Universitetet i Dhaka i det som nå er Bangladesh. Mens han underviste i det nye og raskt utviklende feltet av kvantefysikk, innså han at Max Plancks formel for lysspekteret fra en varm gjenstand kunne utledes fra de statistiske reglene som styrer oppførselen til fotoner, som er langt mer sannsynlig enn klassiske partikler. funnet i samme stater.

Bose hadde problemer med å få publisert arbeidet sitt, så han sendte en kopi til Albert Einstein, som elsket det så mye at han sørget for at det ble publisert i Zeitschrift für Physik ved siden av et eget papir. Einsteins bidrag inkluderte å utvide fotonstatistikken til andre typer partikler (inkludert atomer) og peke på en interessant konsekvens: ved svært lave temperaturer er den mest sannsynlige tilstanden til systemet at alle partiklene har samme energitilstand.

Denne kollektive tilstanden kalles nå en BEC og er nært knyttet til superfluiditet og superledning, som observeres i væsker og faste stoffer (henholdsvis) ved temperaturer nær absolutt null. Selve BEC-overgangen kunne imidlertid i prinsippet skje i en fortynnet gass av atomer – akkurat som de atomfysikere begynte å lage på 1970-tallet.

Det var imidlertid noen få barrierer. Den ene er at den kritiske temperaturen som en BEC dannes ved, bestemmes av tetthet: jo lavere tetthet, jo lavere er kritisk temperatur. Selv om Sisyphus-kjøling muliggjorde mikrokelvintemperaturer, er laserkjølte atomdamper så diffuse at overgangstemperaturen deres er enda lavere, i nanokelvinområdet. Den er også lavere enn "rekyltemperaturen" forbundet med atomer som absorberer eller sender ut et enkelt foton. Nedkjøling under denne grensen må derfor gjøres uten lasere.

En fordampning om gangen

Den generelle løsningen på disse problemene kom fra Daniel Kleppner og kolleger ved Massachusetts Institute of Technology (MIT). Det ligner på mekanismen som kjøler en kopp te. Vannmolekylene i teen beveger seg med ulik hastighet, og de raskeste har nok energi til å bryte seg løs og flyte bort som vanndamp. Fordi disse "rømmene" bærer en større enn gjennomsnittlig mengde energi, ender de gjenværende molekylene kaldere. Når energien i deres bevegelse er omfordelt gjennom kollisjoner mellom molekyler, når systemet en ny likevekt ved en lavere temperatur (figur 2).

Kleppners metode er kjent som evaporativ kjøling, og den krever to elementer: et middel for selektivt å fjerne de varmeste atomene fra fellen, og en hastighet på kollisjoner mellom atomer som er høy nok til at prøven kommer i likevekt etterpå. Det første elementet kom hånd i hånd med løsningen på fotonrekylproblemet: atomer kan holdes "i mørket" ved å overføre dem fra en magneto-optisk felle (MOT) til en rent magnetisk felle som den Phillips først laget i 1983. Den høyere energien til de "varme" atomene krever et større magnetfelt for å begrense dem, og dette store magnetfeltet produserer et Zeeman-skift i atomenes energinivå. Et riktig innstilt radiofrekvenssignal kan dermed snu de "varme" atomene ved dette høye feltet til en ikke-fanget tilstand uten å forstyrre de kaldere. De kaldere atomene som er igjen er også begrenset til et mindre volum, så når temperaturen synker, øker tettheten, og bringer systemet nærmere BEC på to måter.

Kollisjonsspørsmålet er imidlertid utenfor eksperimentelistenes hender. Den relevante hastigheten er beskrevet av en enkelt parameter: den såkalte spredningslengden for et par kolliderende atomer i bestemte tilstander. Hvis denne spredningslengden er moderat stor og positiv, vil fordampningen gå raskt og det resulterende kondensatet vil være stabilt. Hvis spredningslengden er for liten, vil fordampningen gå veldig sakte. Hvis den er negativ, vil kondensatet være ustabilt.

Den åpenbare løsningen er å velge et atom med riktig spredningslengde, men denne parameteren viser seg å være svært vanskelig å beregne ut fra første prinsipper. Det må bestemmes empirisk, og på begynnelsen av 1990-tallet hadde ingen gjort de nødvendige eksperimentene. Følgelig valgte gruppene som begynte å forfølge BEC forskjellige elementer fra det periodiske systemet, hver i håp om at "deres" kunne vise seg å være "riktige". Wieman og hans nye kollega Erik Cornell byttet til og med fra cesium til rubidium fordi rubidiums to stabile isotoper doblet sjansene sine.

"Det vil aldri fungere"

Fordi en MOT kan gjøres om til en rent magnetisk felle ganske enkelt ved å slå av laserne og kjøre mer strøm gjennom magnetspolene, var de første trinnene mot BEC en enkel utvidelse av laserkjølingseksperimenter. Den resulterende "quadrupole trap"-konfigurasjonen har bare ett stort problem: feltet i midten av fellen er null, og ved null felt kan atomer endre sine indre tilstander til en som ikke lenger er fanget. Å tette denne "lekkasjen" av atomer fra fellesenteret krever å finne en måte å holde de fangede atomene fra å endre tilstander.

I flere år var dette et stort område for forskning på laserkjøling. I tillegg til Cornell og Wieman, var en av hovedkonkurrentene i det intensivere BEC-løpet Wolfgang Ketterle fra MIT. Gruppen hans utviklet en måte å skyve atomer bort fra nullfeltområdet ved å bruke en blåavstemt laser fokusert på midten av fellen som en "plugg". Cornell og Wieman brukte på sin side en helt magnetisk teknikk de kalte en tidskretspotensial (TOP) felle.

Cornell utviklet TOP på en flytur tilbake fra en konferanse tidlig i 1994, delvis motivert av behovet for å begrense forstyrrelser i apparatet deres. Selv om han og Wieman ikke hadde plass til en laserstråle til, kunne de legge til en liten ekstra spole rundt en akse vinkelrett på kvadrupolspolene, og det ville endre nullfeltposisjonen. Atomer i fellen ville bevege seg mot det nye nullpunktet, selvfølgelig, men ikke raskt. Hvis de brukte to små spoler på forskjellige akser drevet av oscillerende strømmer for å flytte nullen i en sirkel noen hundre ganger per sekund, kan det være nok til å holde den, med Cornells ord, "overalt der atomene ikke er".

De testet ideen den sommeren ved å bruke en liten spole drevet av en billig lydforsterker. Til å begynne med fikk det tilførte feltet spolene som var viklet rundt glassdampcellen til å skrangle alarmerende, og de drevne spolene ga en gjennomtrengende, høylydende sutring, men prinsippet var forsvarlig, så de bygde en kraftigere versjon. Noen måneder senere, tidlig i 1995, diskuterte Cornell felleplaner med Ketterle, og kom bort og tenkte at MIT-teamets optiske plugg "aldri kom til å fungere. Det kommer i grunnen til å være en stor gammel swizzle-pinne som peker inn der." Han erkjenner imidlertid at Ketterle kan ha følt det samme om TOPPEN: "Han tenker sannsynligvis 'Det er den dummeste ideen jeg har hørt i hele mitt liv.' Så vi gikk begge veldig fornøyde fra den samtalen."

Som det skjedde, fungerte faktisk begge teknikkene. Cornell og Wieman var de første som demonstrerte dette, og utførte en serie eksperimenter der de lyste en laserstråle gjennom sin kalde atomsky. Under disse "øyeblikksbildene" ville atomer i skyen absorbere fotoner fra laseren og etterlate en skygge i strålen. Dybden på denne skyggen var et mål på tettheten til skyen, mens størrelsen på skyen indikerte temperaturen til atomene. Etter hvert som fordampningen skred frem, viste øyeblikksbildene en sfærisk symmetrisk sky av atomer som sakte krympet og avkjølte etter hvert som varme atomer gradvis ble fjernet.

Så, i juni 1995, ved en temperatur på rundt 170 nanokelvin, skjedde noe dramatisk: en liten mørk flekk dukket opp i midten av bildene deres, som representerte atomer med en drastisk lavere temperatur og høyere tetthet. Cornell sier at det ikke tok lang tid å finne ut hva som foregikk: "Den sentrale tettheten bare skyter opp. Hva skjer der hvis ikke Bose-Einstein-kondensering?»

For å bekrefte deres mistanker konverterte han og Wieman noen av skyggebildene deres til de nå ikoniske tredimensjonale plottene (se bildet "Det kuleste resultatet") som viser de termiske atomene som en bred sokkel og BEC som en "pigg" som dukker opp i midten. Formen på piggen - bredere i den ene retningen enn den andre - kodet en ledetråd. Fordi TOP-fellen deres var sterkere i vertikal retning enn horisontal, ble kondensatet presset tettere i den retningen, noe som betyr at det utvidet seg raskere i den retningen etter utgivelsen. Selv om de ikke hadde spådd denne formendringen, var de raskt i stand til å forklare den, og bidro til deres tillit til at de hadde nådd den "hellige gral" til BEC.

Cornell og Wieman kunngjorde resultatene sine (uvanlig for de dagene) på en pressekonferanse tidlig i juni 1995. Papiret deres ble publisert i Vitenskap påfølgende måned. I september produserte Ketterle og kollegene sitt eget sett med 3D-plott som viser en lignende "spike" som dukker opp da deres sky av natriumatomer nådde overgangstemperaturen. Cornell, Wieman og Ketterle fortsatte med å dele 2001 Nobelprisen i fysikk for å oppnå BEC i fortynnede atomdamper.

Fermioner får sin mester

I de første månedene av 1995 rekrutterte Cornell en ny postdoktor, Deborah "Debbie" Jin. Mannen hennes John Bohn, en fysiker ved NIST i Boulder, husker at Cornell sa: "Mange mennesker vil fortelle deg at BEC fortsatt er fri, men jeg tror virkelig vi kommer til å gjøre det." Han hadde rett: den første BEC skjedde mellom tidspunktet Jin sa ja til å ta jobben og da hun begynte å jobbe.

Jin kom fra et annet forskningsmiljø – oppgaven hennes handlet om eksotiske superledere – men hun lærte raskt om lasere og optikk, og spilte en nøkkelrolle i tidlige eksperimenter som undersøkte egenskapene til BEC. Som en stigende stjerne hadde hun en rekke tilbud om en fast stilling, men hun valgte å bli på JILA, en hybridinstitusjon som kombinerer ekspertise fra University of Colorado og NIST. Der, for å skille arbeidet sitt fra det til Cornell og Wieman, bestemte hun seg for å forfølge den andre klassen av ultralav-temperatur-oppførsel: degenererte Fermi-gasser.

Der bosoner er styrt av statistiske regler som gjør det mer sannsynlig at to av dem finnes i samme energitilstand, er fermioner absolutt forbudt å dele stater. Brukt på elektroner er dette Pauli-eksklusjonsprinsippet som forklarer mye av kjemien: elektroner i et atom "fyller opp" de tilgjengelige energitilstandene, og den nøyaktige tilstanden til de siste elektronene bestemmer de kjemiske egenskapene til et gitt grunnstoff. Fermioniske atomer i en magnetfelle følger en lignende regel: ettersom gassen avkjøles, fylles de laveste tilstandene opp. På et tidspunkt er imidlertid alle lavenergitilstandene fulle, og skyen kan ikke krympe lenger. Som med BEC, er dette et rent kvantefenomen, som ikke har noe å gjøre med interaksjoner mellom partiklene, så det bør kunne observeres i en gass av ultrakalde atomer.

Jin begynte på JILA i 1997 med en enkelt doktorgradsstudent, Brian DeMarco, som hadde blitt ansatt av Cornell, men byttet til å jobbe med Jin på Cornells anbefaling. Som DeMarco husker, sa Cornell til ham: "Hvis du og Debbie kan være de første som lager en DFG, vil det være en stor sak, og det er en god mulighet til å gjøre det."

Paret begynte med et tomt laboratorium, som manglet jevne møbler. Bohn husker at de satt på gulvet på kontoret han delte med Jin, og satte sammen elektronikk for deres fremtidige lasere. I løpet av et år hadde de imidlertid et fungerende apparat for magnetisk fangst og fordampende kjøling av fermioniske kaliumatomer.

Jakten på en DFG byr på to utfordringer utover de som står overfor i BEC-løpet. Den første av disse er at ved ultralave temperaturer slutter kollisjonene som trengs for re-ekvilibreringstrinnet med fordampende kjøling å skje fordi forbudet mot at to fermioner er i samme tilstand hindrer dem i å kollidere. For å løse dette, plasserte Jin og DeMarco halvparten av atomene sine i en annen indre tilstand, noe som ga nok krysstilstandskollisjoner til å muliggjøre fordampning. På slutten av prosessen kunne de fjerne en av de to tilstandene og avbilde resten.

Det andre problemet er at mens den eksperimentelle signaturen til BEC er en gigantisk tetthetspiss i midten av atomskyen, er Fermi-degenerasjonen mer subtil. Nøkkelfenomenet med atomer som nekter å klumpe seg sammen, manifesterer seg udramatisk i form av at skyen slutter å krympe ytterligere når overgangstemperaturen er nådd. Å finne ut hvordan man kan skille den degenererte gassen fra den termiske skyen krevde nøye modellering og et bildesystem som pålitelig kunne måle små endringer i formen på distribusjonen.

En Fermi-gass av atomer

Til tross for disse utfordringene, bare 18 måneder etter å ha startet med et tomt rom, publiserte Jin og DeMarco den første observasjonen av en degenerert Fermi-gass. Noen år senere, lag ledet av Ketterle, Randy Hulet ved Rice University, Christophe Salomon ved ENS i Paris, og John Thomas ved Duke University, fulgte.

Jin, i mellomtiden, fortsatte med å bruke lasere og magnetiske felt for å konvertere degenererte atomer til molekyler, og åpnet nye grenser innen ultrakald kjemi. Dette arbeidet tiltrakk seg en rekke utmerkelser, inkludert en MacArthur Foundation "genialt stipend"den I I Rabi-prisen fra American Physical Society (APS) og Isaac Newton-medalje fra Institute of Physics. Jin ville også ha vært en shoo-in for nok en Nobelpris i ultrakaldt atomfysikk, men akk, hun døde av kreft i 2016, og prisen deles ikke ut posthumt.

Utover premier er imidlertid Jins arv betydelig. Underfeltet hun startet har vokst til et av de viktigste områdene innen atomfysikk, og hennes tidligere studenter og kolleger fortsetter å lede studiet av ultrakalde fermioner. Som en anerkjennelse for hennes engasjement for veiledning, opprettet APS en årlig Deborah Jin-pris for fremragende doktorgradsavhandlingsforskning i atom-, molekylær- eller optisk fysikk.

En historie med pågående oppdagelser

Denne serien dekker litt mer enn et halvt århundre. I løpet av den tiden gikk ideen om å bruke lasere til å manipulere atomer fra en inaktiv nysgjerrighet i hodet til en enkelt Bell Labs-fysiker til en grunnleggende teknikk for et stort utvalg av banebrytende fysikk. Laserkjølte ioner er nå en av de viktigste plattformene for utvikling av kvanteinformasjonsvitenskap. Laserkjølte nøytrale atomer gir grunnlaget for verdens beste atomklokker. Og de kvantedegenererte systemene først observert av Cornell, Wieman, Ketterle og Jin skapte et enormt delfelt som forbinder atomfysikk med kondensert materiefysikk og kjemi. Laserkjølte atomer fortsetter å være avgjørende for fysikkforskning, og ny historie skrives daglig i laboratorier rundt om i verden.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/coldest-how-a-letter-to-einstein-and-advances-in-laser-cooling-technology-led-physicists-to-new-quantum-states-of-matter/