Kaldere: hvordan fysikere slo den teoretiske grensen for laserkjøling og la grunnlaget for en kvanterevolusjon – Physics World

På slutten av 1960-tallet begynte et lite samfunn av forskere å bruke krefter fra lys for å skyve rundt små gjenstander. I løpet av det neste tiåret utvidet feltet seg til å inkludere laserkjøling, en kraftig teknikk som utnytter Doppler-skift å produsere en kraft som bare kan bremse gjenstander, og aldri øke hastigheten på dem. Ettersom årene gikk utviklet disse nye laserkjøleeksperimentene seg langs de to parallelle sporene – ioner og atomer – utforsket i del 1 av denne serien: "Kald: hvordan fysikere lærte å manipulere og flytte partikler med laserkjøling".

På mange måter hadde ioner en tidlig fordel. På grunn av sin elektriske ladning opplever de elektromagnetiske krefter, som er sterke nok til å tillate dem å bli fanget i elektromagnetiske feller ved høye temperaturer og avkjølt av lasere ved ultrafiolette bølgelengder. I 1981 hadde ionefangere foredlet denne teknikken til det punktet hvor de kunne fange og oppdage enkeltioner og utføre spektroskopi på dem med enestående presisjon.

Atomer, derimot, må bremses før de kan fanges av svakere krefter som utøves av lys og magnetiske felt. Likevel innen 1985 Bill Phillips og kolleger på US National Bureau of Standards i Gaithersburg, Maryland, hadde brukt lys til å bremse en stråle av natriumatomer nesten til å stoppe opp, og deretter begrenset dem i en magnetisk felle. Utover det så det ut til at hovedutfordringen for fremtidige atomtemmere innebar å bygge videre på dette arbeidet for å gjøre fangst av nøytrale atomer mer effektiv, og presse grensene for selve kjøleprosessen.

Begge prosjektene ville lykkes over noens forventninger. Og akkurat som vi så i del 1, går røttene til denne suksessen tilbake til Arthur Ashkin at Bell Labs.

God idé, utilstrekkelig utførelse

Da vi sist møtte Ashkin, var det 1970, og han hadde nettopp utviklet den "optiske pincett"-teknikken som ville gi ham en Nobelpris nesten 50 år senere. På slutten av 1970-tallet jobbet han med sine Bell Labs-kolleger på eksperimenter som involverte en atomstråle. "Rick Freeman hadde en atomstrålemaskin, og jeg hadde noen eksperimenter som ville være interessante å gjøre med en atomstråle, men jeg var ikke så begeistret for å bygge en atomstrålemaskin,” minnes Ashkins daværende kollega John Bjorkholm.

Ved å overlappe en laserstråle med strålen av atomer, viste Ashkin og Bjorkholm at det var mulig å fokusere eller defokusere atomene ved å justere frekvensen til lyset. Med laseren innstilt på det røde - med en litt lavere frekvens enn atomene "ønsker" å absorbere - vil samspillet mellom atomer og lys senke atomenes indre energi ("lysskiftet") og trekke atomer inn i laserstrålen. Med laseren innstilt på det blå, ble atomene presset ut.

Ashkin hadde flere ideer for å gjøre dette fenomenet om til en "helt-optisk" metode for å fange atomer (det vil si uten magnetfeltene Phillips' gruppe brukte). Dessverre slet Ashkin og Bjorkholm med å implementere det fordi Freemans atomstråle ble bygget med plexiglassvinduer som ikke kunne opprettholde lavt nok trykk. Atomene og molekylene som lekket inn fra utsiden ble ikke påvirket av kjølelaserne, og som et resultat, da de kolliderte med atomer i strålen, sparket de målatomene ut av fellen. Etter noen år med skuffende resultater, surret Bell Labs-ledelsen på eksperimentene og presset Ashkin til å forfølge andre ting.

Svømmere i en viskøs væske

Rundt denne tiden flyttet en ung forsker med et (selvskreven) rykte som "en fyr som kunne få vanskelige eksperimenter gjort" inn på et kontor nær Ashkin's i Bell Labs' Holmdel-anlegg. Han het Steve Chu, og han ble interessert i Ashkins ideer. Sammen bygde de et ultrahøyt vakuumsystem egnet for atomkjøling og fangst, pluss et system for å bremse natriumatomer ved å raskt sveipe laserfrekvensen for å kompensere for det endrede Doppler-skiftet. Sistnevnte teknikk er kjent som "chirp cooling"; ved en lykkelig tilfeldighet var også forskerne som utviklet en av nøkkelteknologiene på Holmdel.

På dette tidspunktet foreslo Chu at de forhåndskjøler atomene ved å belyse dem med tre perpendikulære par av motforplantende laserstråler, alle innstilt til en frekvens like under atomenes overgangsfrekvens som diskutert i del 1. Denne konfigurasjonen gir en kjølekraft i alle tre dimensjonene samtidig: et atom som beveger seg opp ser den nedadgående laserstrålen Doppler flyttet opp, absorberer fotoner og bremser ned; et atom som beveger seg til venstre ser fotoner i den høyregående strålen forskjøvet opp, og så videre. Uansett hvilken vei atomene beveger seg, føler de en kraft som motsetter bevegelsen deres. Likheten til en svømmers situasjon i en viskøs væske førte til at Chu kalte det "optisk melasse" (figur 1).

Bell Labs-teamet demonstrerte optisk melasse i 1985, og samlet tusenvis av atomer fra en chirp-avkjølt stråle. Som det sømmer seg navnet, var den optiske melassen veldig "klebrig" og holdt atomer i de overlappende strålene i rundt en tiendedel av et sekund (praktisk talt en evighet i atomfysikk) før de vandret ut. Mens de er i melasseregionen, absorberer og sender atomene konstant ut lys fra de avkjølende laserne, slik at de fremstår som en diffus glødende sky. Den totale lysmengden ga et enkelt mål på antall atomer.

Ashkin, Chu og deres samarbeidspartnere var også i stand til å estimere atomenes temperatur. De gjorde dette ved å måle hvor mange atomer som var i melassen, slå av lyset en kort stund, så skru det på igjen og måle tallet på nytt. I løpet av det mørke intervallet ville atomskyen utvide seg, og noen atomer ville unnslippe området til melassestrålene. Denne rømningshastigheten tillot teamet å beregne atomenes temperatur: ca. 240 mikrokelvin – helt i tråd med forventet minimum for laserkjølte natriumatomer.

Gjør melasse til en felle

Til tross for sin klebrighet, er ikke optisk melasse en felle. Selv om det bremser atomene ned, når atomene driver til kanten av laserstrålene, kan de unnslippe. En felle, derimot, leverer en kraft som avhenger av posisjon, og skyver atomer tilbake til et sentralt område.

Den enkleste måten å lage en felle på er med en tett fokusert laserstråle, lik den optiske pinsetten Ashkin utviklet for å fange mikroskopiske gjenstander. Mens volumet av laserfokuset er en liten brøkdel av melassevolumet, innså Ashkin, Bjorkholm og (uavhengig) Chu at et betydelig antall atomer likevel kunne samle seg i en slik felle gjennom tilfeldig diffusjon i melassen. Da de la til en separat, fangende laserstråle til melassen, var resultatene lovende: en liten lys flekk dukket opp i den diffuse melasseskyen, som representerte flere hundre fangede atomer.

Å komme utover det ga imidlertid tekniske utfordringer. Problemet er at skiftet i atomenerginivåer som gjør optisk fangst med enkeltstråle mulig, hemmer kjøleprosessen: når fangslaseren senker energien til atomets grunntilstand, endrer den den effektive frekvensavstemmingen til kjølelaseren. Å bruke en andre laser og veksle mellom avkjøling og fangst forbedrer antallet atomer som kan fanges, men på bekostning av ytterligere kompleksitet. For å gjøre ytterligere fremskritt, ville fysikere trenge enten kaldere atomer eller en bedre felle.

Den franske forbindelsen

Begge var i horisonten. Claude Cohen-Tannoudji og hans gruppe ved École Normale Supérieure (ENS) i Paris tok for seg først og fremst laserkjøling fra den teoretiske siden. Jean Dalibard, da en nyslått doktorgrad i gruppen, husker å studere teoretiske analyser av Ashkin og Jim Gordon ("et fantastisk papir") og av den sovjetiske duoen Vladilen Letokhov og Vladimir Minogin, som (med Boris D Pavlik) hadde utledet minimumstemperaturen som var oppnåelig med laserkjøling tilbake i 1977.

Som vi så i del 1, er denne minimumstemperaturen kjent som Doppler-kjølegrensen, og den stammer fra de tilfeldige "sparkene" som oppstår når atomer sender ut fotoner på nytt etter å ha absorbert lys fra en av kjølestrålene. Nysgjerrig på hvor fast denne "grensen" egentlig var, lette Dalibard etter måter å holde atomene "i mørket" så mye som mulig. For å gjøre dette utnyttet han en egenskap ved reelle atomer som ikke fanges opp av standard Doppler-kjølingsteori: reelle atomtilstander er ikke enkeltenerginivåer, men samlinger av undernivåer med samme energi, men forskjellige vinkelmomenta (figur 2).

Disse forskjellige undernivåene, eller momentumtilstandene, endrer energi i nærvær av et magnetfelt (Zeeman-effekten). Etter hvert som feltet blir sterkere, øker noen tilstander i energi, mens andre avtar. Disse rollene blir så snudd når retningen på feltet snus. En ytterligere kompliserende faktor er at polarisasjonen av laserlyset bestemmer hvilke undernivåer som vil absorbere fotoner. Mens en polarisering flytter atomer mellom tilstander på en måte som øker vinkelmomentet, reduserer en annen den.

I sin teoretiske analyse kombinerte Dalibard disse undernivåene med et magnetfelt som er null på et tidspunkt og øker når atomer beveger seg utover. Ved å gjøre det skapte han en situasjon der den effektive laserfrekvensavstemmingen var avhengig av atomenes posisjon. (Phillips og kolleger brukte en lignende konfigurasjon for sin magnetiske felle, men ved et mye høyere felt.) Atomer kunne derfor absorbere fra en bestemt laser bare i den spesifikke posisjonen der kombinasjonen av avstemming, Doppler-skift og Zeeman-skift var akkurat riktig ( figur 3).

Dalibard håpet at å begrense atomenes evne til å absorbere lys på denne måten kunne senke minimumstemperaturen deres. Etter at han regnet ut at det ikke ville, arkiverte han ideen. "Jeg så at det var en felle, men jeg lette ikke etter en felle, jeg lette etter sub-Doppler-kjøling," forklarer han.

Det hadde kanskje vært der det sluttet hvis det ikke hadde vært for Dave Pritchard, en fysiker ved Massachusetts Institute of Technology som besøkte Paris-gruppen i 1986. Under besøket holdt Pritchard et foredrag om ideer for å produsere feller med større volum, og avsluttet med å si at han ville ta imot andre – bedre – forslag.

«Jeg dro til Dave, og jeg sa 'Vel, jeg har en idé, og jeg er ikke så sikker på at den er bedre, men den er annerledes enn din,'» minnes Dalibard. Pritchard tok Dalibards idé tilbake til USA, og i 1987 bygde han og Chu den første magneto-optiske fellen (MOT) basert på Dalibards analyse. Dalibard ble tilbudt medforfatterskap av det resulterende papiret, men var glad bare for å bli gjenkjent i anerkjennelsene.

Det er vanskelig å overdrive hvor revolusjonerende MOT var for utviklingen av laserkjøling. Det er en relativt enkel enhet, som bare krever en enkelt laserfrekvens og et relativt svakt magnetfelt for å produsere sterke feller. Det beste av alt er imidlertid kapasiteten. Chu og Ashkins første helt optiske felle holdt hundrevis av atomer, Phillips første magnetiske felle flere tusen, men den første magneto-optiske fellen holdt ti millioner atomer. Sammen med introduksjonen av billige diodelasere av Carl Wieman ved University of Colorado (som mer i del 3 av denne serien), utløste fremkomsten av MOT en rask eksplosjon i antall grupper som studerer laserkjøling over hele verden. Forskningstakten var i ferd med å akselerere.

Murphys lov tar ferie

Mens Pritchard og Chu bygde den første MOT, møtte Phillips og Gaithersburg-kollegene et ekstremt uvanlig problem med deres optiske melasse. I motsetning til alle forventninger til eksperimentell fysikk, fungerte melassen for godt. Faktisk kunne den avkjøle atomer selv med noen av strålene delvis blokkert.

Denne oppdagelsen kom delvis fordi laserkjøling skulle være Phillips sideprosjekt, så laboratoriet hans ble satt opp i et forberedelsesrom koblet til en maskinverksted. For å forhindre at butikkstøv og fett samler seg på laboratoriets vakuumsystem, dekket medlemmer av gruppen systemets vinduer med plast eller filterpapir om natten. "Noen ganger ville du få denne virkelig forvrengte melasse," minnes Paul Lett, som ble med i gruppen i 1986, «og da ville du innse at, å, vi tok ikke ut den biten med filterpapir. Det var bemerkelsesverdig at det i det hele tatt fungerte.»

Denne overraskende utholdenheten førte til at Lett presset på for en mer systematisk studie, inkludert et nytt sett med temperaturmålinger. "Release-and-recapture"-metoden utviklet av Bell Labs-gruppen hadde relativt store usikkerheter, så Phillips' gruppe prøvde en ny metode som innebar å oppdage lyset som sendes ut når atomer krysset en sondestråle plassert i nærheten av melassen. Når melassen ble slått av, ville atomene fly bort. Tiden det tok å nå sonden ville gi et direkte mål på hastigheten deres, og dermed temperaturen.

Som alle laserkjølingseksperimenter, pakket Phillips' laboratorium mange linser og speil i en liten plass, og det mest praktiske stedet å plassere sonden viste seg å være litt over melasseområdet. Dette burde ha fungert bra for atomer som reiser med Doppler-grensehastigheten, men da Lett prøvde eksperimentet, nådde ingen atomer sonden. Til slutt flyttet han og kollegene sondens posisjon til under melassen, da de så et vakkert signal. Det var bare ett problem: Doppler-kjølegrensen var 240 mikrokelvin, men denne "time-of-flight"-målingen viste en temperatur på 40 mikrokelvin.

Dette resultatet ser ut til å bryte med Murphys lov, påstanden om at "alt som kan gå galt, vil", så de var ikke villige til å akseptere det umiddelbart. De målte temperaturen på nytt ved å bruke flere forskjellige teknikker, inkludert en forbedret frigjøring-og-gjenfangst, men de fikk stadig det samme resultatet: atomene var mye kaldere enn teorien sa var mulig.

Tidlig i 1988 tok Phillips og selskapet kontakt med andre grupper i det nære fellesskapet av laserkjølere, og ba dem sjekke temperaturene i sine egne laboratorier. Chu og Wieman bekreftet raskt det overraskende resultatet: optisk melasse fungerte ikke bare for å avkjøle atomer, den fungerte bedre enn teorien sa at den ville.

Klatre opp en bakke

Paris-gruppen hadde ennå ikke et eksperimentelt program, men Dalibard og Cohen-Tannoudji angrep problemet teoretisk via den samme virkelige faktoren Dalibard brukte for å utvikle MOT: flere interne atomtilstander. Grunntilstanden til natrium har fem undernivåer med samme energi, og fordelingen av atomer mellom disse tilstandene avhenger av lysets intensitet og polarisering. Denne distribusjonsprosessen, kalt "optisk pumping", var sentral i den spektroskopiske forskningen som fant sted ved ENS i Paris under Cohen-Tannoudji, så gruppen hans var unikt godt egnet til å utforske hvordan disse tilleggstilstandene kunne forbedre laserkjøling.

Nøkkeltrekket viser seg å være polariseringen av laserlyset, som i klassisk fysikk tilsvarer aksen til lysets oscillerende elektriske felt. Kombinasjonen av seks motforplantende stråler gir en komplisert fordeling av polarisasjoner ettersom strålene kombineres på forskjellige måter på forskjellige steder i den optiske melassen. Atomene blir hele tiden optisk pumpet inn i forskjellige konfigurasjoner, noe som forlenger kjøleprosessen og tillater lavere temperaturer.

Sommeren 1988 hadde Dalibard og Cohen-Tannoudji utviklet en elegant modell for å forklare sub-Doppler-kjøling. (Chu kom selvstendig frem til et lignende resultat, som han husker å utlede på et tog mellom to konferanser i Europa.) De betraktet et forenklet atom med bare to grunntilstandsundernivåer, tradisjonelt merket –½ og +½, opplyst av to laserstråler som forplanter seg i motsatte retninger med motsatte lineære polarisasjoner. Dette skaper et mønster som veksler mellom to polarisasjonstilstander, merket σ^- og σ⁺.

Et atom i et område av σ^- polarisering vil bli pumpet optisk inn i –½-tilstanden, som opplever et stort lysskifte som senker dens indre energi. Når atomet beveger seg mot σ⁺ polarisasjonsområdet avtar lysskiftet, og atomet må bremse ned for å kompensere, og miste kinetisk energi for å kompensere for økningen i indre energi, som en ball som ruller opp en bakke. Når den når σ⁺ lys, optisk pumping vil føre til at den skifter til +½-tilstanden, som har et stort lysskifte. Atomet får ikke tilbake energien det mistet ved å klatre "bakken" ut av σ^- region, så det går langsommere når prosessen starter på nytt: lysskiftet avtar når det beveger seg mot neste σ^- region, så den mister energi, og pumper så optisk til –½, og så videre.

Denne prosessen med å miste energi ved å stadig klatre "bakker" ga et levende navn: Dalibard og Cohen-Tannoudji kalte det Sisyphus cooling, etter kongen i gresk myte som ble dømt til å bruke evigheten på å skyve en stein opp en bakke bare for å få steinen til å skli. bort og gå tilbake til bunnen (figur 4). Atomer i optisk melasse befinner seg i en lignende knipe, de klatrer alltid i bakker og mister energi bare for å få optisk pumping tilbake til bunnen og tvinge dem til å starte på nytt.

Sisyfos belønninger

Teorien bak Sisyfos-kjøling gir konkrete spådommer om minimumstemperaturer og hvordan de er avhengige av laseravstemmingen og magnetfeltet. Disse spådommene ble raskt bekreftet i laboratorier rundt om i verden. Høsten 1989 ble Journal of the Optical Society of America B publiserte et spesialnummer om laserkjøling som inneholder eksperimentelle resultater fra Phillips' gruppe i Gaithersburg, Sisyphus-teorien fra Paris, og en kombinert eksperimentell og teoretisk artikkel fra Chus gruppe, som da hadde flyttet fra Bell Labs til Stanford University i California. I det meste av det neste tiåret ble denne spesielle utgaven sett på som den definitive kilden for studenter som ønsket å forstå laserkjøling, og Cohen-Tannoudji og Chu fortsatte med å dele 1997 Nobelprisen i fysikk med Phillips.

Tatt til det ytterste kan Sisyfos-effekten avkjøle atomer til et punkt hvor de ikke lenger har nok energi til å klatre en eneste "bakke" og i stedet er begrenset til et lite område med en enkelt polarisering. Denne inneslutningen er like tett som den er for fangede ioner, noe som gjør de to grenene til laserkjøling pent symmetriske. På begynnelsen av 1990-tallet kunne fangede ioner og nøytrale atomer begge avkjøles til et regime der deres kvantenaturer blir tydelige: et enkelt ion i en felle, eller et atom i en "brønn" skapt i Sisyphus-avkjøling, kan bare eksistere i en viss diskret energi stater. Disse diskrete tilstandene ble snart målt for begge systemene; i dag er de en vesentlig del av kvanteberegning med atomer og ioner.

En ytterligere spennende forskningsvei gjaldt selve brønnene. Disse dannes når lysstråler forstyrrer, og forekommer naturlig i store matriser med en avstand på halve laserbølgelengden. Den periodiske naturen til disse såkalte optiske gittrene etterligner den mikroskopiske strukturen til fast stoff, med atomene som spiller rollen som elektroner i et krystallgitter. Denne likheten gjør fangede atomer til en nyttig plattform for å utforske fysikkfenomener med kondensert stoff som superledning.

For virkelig å utforske superledning med kalde atomer, må gitteret imidlertid være lastet med atomer med en høyere tetthet og en enda lavere temperatur enn det som kan oppnås med Sisyphus-kjøling. Som vi vil se i del 3, ville det kreve enda et nytt sett med verktøy og teknikker, og ville åpne muligheten for å lage ikke bare analoger av kjente systemer, men helt nye materietilstander.

• Del 3 av historien om laserkjøling av Chad Orzel vil bli publisert snart Fysikkens 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. Bil / elbiler, Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• ChartPrime. Hev handelsspillet ditt med ChartPrime. Tilgang her.
• BlockOffsets. Modernisering av eierskap for miljøkompensasjon. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/colder-how-physicists-beat-the-theoretical-limit-for-laser-cooling-and-laid-the-foundations-for-a-quantum-revolution/