Zimniej: jak fizycy przekroczyli teoretyczną granicę chłodzenia lasera i położyli podwaliny pod rewolucję kwantową – Świat Fizyki

Zimniej: jak fizycy przekroczyli teoretyczną granicę chłodzenia lasera i położyli podwaliny pod rewolucję kwantową – Świat Fizyki

Praktycznie obowiązuje prawo, że żaden eksperyment nie działa lepiej, niż mówi teoria, ale dokładnie to samo wydarzyło się w fizyce atomowej pod koniec lat 1980. Czad Orzeł opisuje w drugiej części swojej trzyczęściowej historii chłodzenia laserowego. Pierwszą część można przeczytać tutaj 

aparat pułapki atomowej
Świeci jasno Na zdjęciu wykonanym pod koniec lat 1980. badacz Kris Helmerson obserwuje maleńką świecącą chmurę atomów sodu przechwyconą przez sześć przecinających się wiązek lasera w komorze próżniowej. W tym czasie Helmerson był członkiem grupy badawczej Billa Phillipsa w ówczesnym Narodowym Biurze Standardów Stanów Zjednoczonych. Phillips podzielił się Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 1997 r. za techniki chłodzenia laserowego i pułapkowania opracowane w tym laboratorium. (Dzięki uprzejmości: H. Mark Helfer/NIST)

Pod koniec lat sześćdziesiątych mała społeczność badaczy zaczęła wykorzystywać siły światła do przesuwania małych obiektów. W ciągu następnej dekady dziedzina ta rozszerzyła się o chłodzenie laserowe, potężną technikę wykorzystującą Przesunięcie Dopplera wytworzyć siłę, która może jedynie spowolnić obiekty, a nigdy ich nie przyspieszyć. Z biegiem lat nowe eksperymenty z chłodzeniem laserowym rozwinęły się wzdłuż dwóch równoległych ścieżek – jonów i atomów – badanych w część 1 z tej serii: „Zimno: jak fizycy nauczyli się manipulować i przenosić cząstki za pomocą chłodzenia laserowego”.

Pod wieloma względami jony już na początku miały przewagę. Ze względu na swój ładunek elektryczny podlegają działaniu sił elektromagnetycznych, które są na tyle silne, że pozwalają je złapać w pułapki elektromagnetyczne w wysokich temperaturach i ochłodzić za pomocą laserów o długości fali ultrafioletowej. Do 1981 roku traperzy jonów udoskonalili tę technikę do tego stopnia, że ​​mogli wychwytywać i wykrywać pojedyncze jony oraz przeprowadzać na nich spektroskopię z niespotykaną dotąd precyzją.

Natomiast atomy muszą zostać spowolnione, zanim zostaną uwięzione przez słabsze siły wywierane przez światło i pola magnetyczne. Mimo to do 1985 r Billa Phillipsa i koledzy z Amerykańskie Narodowe Biuro Standardów w Gaithersburgu w stanie Maryland wykorzystał światło, aby niemal całkowicie spowolnić wiązkę atomów sodu, a następnie zamknął je w pułapce magnetycznej. Poza tym głównym wyzwaniem dla potencjalnych poskramiaczy atomów wydawało się polegać na wykorzystaniu tej pracy w celu zwiększenia wydajności wychwytywania neutralnych atomów i przesunięciu granic samego procesu chłodzenia.

Oba projekty odniosłyby sukces przekraczający wszelkie oczekiwania. I tak jak widzieliśmy w części 1, korzenie tego sukcesu sięgają wstecz Artur Aszkin at Bell Labs.

Dobry pomysł, kiepskie wykonanie

Kiedy ostatni raz spotkaliśmy Ashkina, był rok 1970, a on właśnie opracował technikę „pęsety optycznej”, która prawie 50 lat później zapewniła mu Nagrodę Nobla. Pod koniec lat 1970. współpracował ze swoimi kolegami z Bell Labs nad eksperymentami z udziałem wiązki atomowej. „Ricka Freemana miałem maszynę z wiązką atomową i przeprowadziłem kilka interesujących eksperymentów z wiązką atomową, ale nie byłem zbyt zachwycony budową maszyny z wiązką atomową” – wspomina ówczesny kolega Ashkina, John Bjorkholm.

Ashkin i Bjorkholm wykazali, że nakładając wiązkę lasera na wiązkę atomów, można ogniskować lub rozogniskować atomy poprzez regulację częstotliwości światła. Przy laserze dostrojonym do czerwieni – przy częstotliwości nieco niższej, niż atomy „chcą” absorbować – interakcja między atomami a światłem obniży energię wewnętrzną atomów („przesunięcie światła”), wciągając atomy w wiązkę lasera. Po dostrojeniu lasera do koloru niebieskiego atomy zostały wypchnięte.

Ashkin miał kilka pomysłów na przekształcenie tego zjawiska w „całkowicie optyczną” metodę wychwytywania atomów (to znaczy bez pól magnetycznych stosowanych przez grupę Phillipsa). Niestety Ashkin i Bjorkholm mieli trudności z jego wdrożeniem, ponieważ wiązka atomowa Freemana została zbudowana z okien z pleksiglasu, które nie wytrzymywały wystarczająco niskiego ciśnienia. Atomy i cząsteczki, które wyciekły z zewnątrz, nie zostały dotknięte chłodzącymi laserami, w wyniku czego, zderzając się z atomami w wiązce, wyrzucały docelowe atomy z pułapki. Po kilku latach rozczarowujących wyników kierownictwo Bell Labs było zgorzkniałe na punkcie eksperymentów i popchnęło Ashkina do zajęcia się innymi sprawami.

Pływacy w lepkiej cieczy

Stevena Chu

Mniej więcej w tym czasie młody badacz, cieszący się (jak sam siebie określa) reputacją „faceta, który potrafi przeprowadzać trudne eksperymenty”, przeprowadził się do biura niedaleko Ashkin's, w zakładzie Bell Labs w Holmdel. Miał na imię Steve Chui zainteresował się pomysłami Ashkina. Wspólnie zbudowali system ultrawysokiej próżni odpowiedni do chłodzenia i wychwytywania atomów, a także system spowalniający atomy sodu poprzez szybkie przemiatanie częstotliwości lasera w celu kompensacji zmieniającego się przesunięcia Dopplera. Ta ostatnia technika znana jest jako „chłodzenie ćwierkaniem”; szczęśliwym zbiegiem okoliczności naukowcy, którzy opracowali jedną z kluczowych technologii firmy, również byli w Holmdel.

W tym momencie Chu zasugerował, aby wstępnie schłodzić atomy, oświetlając je trzema prostopadłymi parami przeciwbieżnych wiązek laserowych, wszystkie dostrojone do częstotliwości tuż poniżej częstotliwości przejścia atomów, jak omówiono w części 1. Taka konfiguracja zapewnia siłę chłodzącą we wszystkich trzech wymiarach jednocześnie: atom poruszający się w górę widzi skierowaną w dół wiązkę lasera Dopplera przesuniętą w górę, pochłania fotony i zwalnia; atom poruszający się w lewo widzi fotony w wiązce skierowanej w prawo przesunięte w górę i tak dalej. Bez względu na to, w którą stronę poruszają się atomy, odczuwają siłę przeciwdziałającą ich ruchowi. Podobieństwo do sytuacji pływaka w lepkiej cieczy sprawiło, że Chu nazwał ją „optyczną melasą” (ryc. 1).

1 Melasa optyczna

Zimniej: jak fizycy przekroczyli teoretyczną granicę chłodzenia laserowego i położyli podwaliny pod rewolucję kwantową – Physics World PlatoBlockchain Data Intelligence. Wyszukiwanie pionowe. AI.

Atom jest oświetlony parami przestrojonych na czerwono wiązek wzdłuż prostopadłych osi. W przypadku atomu poruszającego się w lewo laser Dopplera poruszający się w prawo zostanie przesunięty w górę i będzie bardziej prawdopodobne, że pochłonie z niego światło i zwolni; pozostałe wiązki nie ulegają przesunięciu, a zatem nie są pochłaniane. Jeśli atom poruszy się w górę, zobaczy jedynie skierowaną w dół wiązkę, która zostanie przesunięta w górę i będzie przez nią absorbowana, i tak dalej. Atom doświadcza siły, która go spowalnia, niezależnie od kierunku ruchu.

Zespół Bell Labs zademonstrował melasę optyczną w 1985 roku, zbierając tysiące atomów z wiązki chłodzonej ćwierkaniem. Jak przystało na nazwę, melasa optyczna była bardzo „lepka”, utrzymując atomy w nakładających się na siebie wiązkach przez około jedną dziesiątą sekundy (praktycznie całą wieczność w fizyce atomowej), zanim rozeszły się. W obszarze melasy atomy stale absorbują i ponownie emitują światło z chłodzących laserów, więc wyglądają jak rozproszona, świecąca chmura. Całkowita ilość światła zapewniła łatwy pomiar liczby atomów.

Ashkin, Chu i ich współpracownicy byli także w stanie oszacować temperaturę atomów. Dokonali tego, mierząc liczbę atomów w melasie, wyłączając na krótki czas światło, a następnie włączając je ponownie i ponownie mierząc liczbę. Podczas ciemnej przerwy chmura atomów rozszerzy się, a niektóre atomy uciekną z obszaru wiązek melasy. Taka szybkość ucieczki umożliwiła zespołowi obliczenie temperatury atomów: około 240 mikrokelwinów – co odpowiada oczekiwanemu minimum dla atomów sodu chłodzonych laserowo.

Zamienianie melasy w pułapkę

Pomimo swojej lepkości, melasa optyczna nie jest pułapką. Chociaż spowalnia atomy, gdy atomy dryfują do krawędzi wiązek laserowych, mogą uciec. Pułapka natomiast dostarcza siłę zależną od położenia, wypychając atomy z powrotem do obszaru centralnego.

Najprostszym sposobem na utworzenie pułapki jest użycie ściśle skupionej wiązki lasera, podobnej do pęsety optycznej opracowanej przez Ashkina do łapania mikroskopijnych obiektów. Chociaż objętość ogniska lasera stanowi niewielki ułamek objętości melasy, Ashkin, Bjorkholm i (niezależnie) Chu zdali sobie sprawę, że mimo to znaczna liczba atomów może zgromadzić się w takiej pułapce w wyniku przypadkowej dyfuzji w melasie. Kiedy dodali do swojej melasy oddzielną, pułapkującą wiązkę lasera, wyniki były obiecujące: w rozproszonej chmurze melasy pojawiła się mała jasna plamka, reprezentująca kilkaset uwięzionych atomów.

Wykroczenie poza ten poziom wiązało się jednak z wyzwaniami technicznymi. Problem w tym, że zmiana poziomów energii atomowej, która umożliwia pułapkowanie optyczne z pojedynczą wiązką, utrudnia proces chłodzenia: gdy laser pułapkujący obniża energię stanu podstawowego atomu, zmienia to efektywne rozstrojenie częstotliwości lasera chłodzącego. Użycie drugiego lasera i naprzemienne chłodzenie i pułapkowanie zwiększa liczbę atomów, które można uwięzić, ale kosztem dodatkowej złożoności. Aby poczynić dalsze postępy, fizycy potrzebowaliby albo zimniejszych atomów, albo lepszej pułapki.

Połączenie francuskie

Claude’a Cohena-Tannoudji’ego

Obydwa były na horyzoncie. Claude’a Cohena-Tannoudji’ego i jego grupa w École Normale Supérieure (ENS) w Paryżu zajmowali się przede wszystkim chłodzeniem laserowym od strony teoretycznej. Jeana Dalibarda, wówczas świeżo upieczony doktorant w tej grupie, pamięta studiowanie analiz teoretycznych Ashkina i Jim Gordon („fantastyczny artykuł”) oraz radziecki duet Vladilen Letokhov i Władimir Minogin, którzy (wraz z Borisem D Pavlikiem) ustalił minimalną temperaturę osiągalną przy chłodzeniu laserowym już w 1977 roku.

Jak widzieliśmy w części 1, ta minimalna temperatura znana jest jako granica chłodzenia Dopplera i wynika z przypadkowych „kopnięć”, które mają miejsce, gdy atomy ponownie emitują fotony po zaabsorbowaniu światła z jednej z wiązek chłodzących. Ciekawiąc, jak rygorystyczne jest to „ograniczenie”, Dalibard szukał sposobów, aby utrzymać atomy w „ciemności” tak bardzo, jak to możliwe. Aby to zrobić, wykorzystał właściwość rzeczywistych atomów, której nie ujmuje standardowa teoria chłodzenia Dopplera: rzeczywiste stany atomowe nie są pojedynczymi poziomami energii, ale zbiorami podpoziomów o tej samej energii, ale różnych momentach kątowych (rysunek 2).

Te różne podpoziomy, czyli stany pędu, zmieniają energię w obecności pola magnetycznego (efekt Zeemana). W miarę jak pole staje się silniejsze, energia niektórych stanów wzrasta, a innych maleje. Role te ulegają następnie odwróceniu, gdy kierunek pola się odwraca. Kolejnym czynnikiem komplikującym jest to, że polaryzacja światła laserowego określa, które podpoziomy będą absorbować fotony. Podczas gdy jedna polaryzacja przesuwa atomy między stanami w sposób zwiększający moment pędu, inna polaryzacja go zmniejsza.

2 Wiele podpoziomów sodu

Zimniej: jak fizycy przekroczyli teoretyczną granicę chłodzenia laserowego i położyli podwaliny pod rewolucję kwantową – Physics World PlatoBlockchain Data Intelligence. Wyszukiwanie pionowe. AI.

W przypadku braku pola magnetycznego stan podstawowy atomu sodu ma pięć podpoziomów o tej samej energii, ale różnym momencie pędu, a stan wzbudzony ma siedem. Wszystkie przejścia między stanem podstawowym a stanem wzbudzonym wymagają światła o tej samej częstotliwości. Po przyłożeniu pola magnetycznego podpoziomy przesuwają się w górę lub w dół o różną wielkość. W rezultacie przejście pomiędzy podpoziomami „stanu rozciągniętego” maksymalnego momentu pędu przesuwa się do wyższej (niebieskiej) lub niższej (czerwonej) częstotliwości.

W swojej analizie teoretycznej Dalibard połączył te podpoziomy z polem magnetycznym, które w pewnym momencie wynosi zero i wzrasta w miarę przemieszczania się atomów na zewnątrz. W ten sposób stworzył sytuację, w której efektywne odstrojenie częstotliwości lasera zależało od położenia atomów. (Phillips i współpracownicy zastosowali podobną konfigurację swojej pułapki magnetycznej, ale przy znacznie większym polu.) Atomy mogły zatem absorbować z określonego lasera tylko w określonym położeniu, w którym kombinacja rozstrojenia, przesunięcia Dopplera i przesunięcia Zeemana była właściwa ( rysunek 3).

3 Pułapka magnetooptyczna

Zimniej: jak fizycy przekroczyli teoretyczną granicę chłodzenia laserowego i położyli podwaliny pod rewolucję kwantową – Physics World PlatoBlockchain Data Intelligence. Wyszukiwanie pionowe. AI.

Atomy są oświetlane przez parę przestrojonych do czerwoności laserów o przeciwnych polaryzacjach, w polu magnetycznym, które wzrasta w miarę oddalania się od środka. Podpoziomy stanu wzbudzonego przesuwają się w przeciwnych kierunkach ze względu na pole, a atomy absorbują światło tylko w pozycji, w której kombinacja rozstrojenia, przesunięcia Zeemana i przesunięcia Dopplera jest prawidłowa, wypychając je z powrotem do środka.

Dalibard miał nadzieję, że ograniczenie zdolności atomów do pochłaniania światła w ten sposób może obniżyć ich minimalną temperaturę. Gdy obliczył, że tak się nie stanie, odrzucił ten pomysł. „Widziałem, że to pułapka, ale nie szukałem pułapki, szukałem chłodzenia subdopplerowskiego” – wyjaśnia.

Być może na tym by się to skończyło, gdyby nie to Dave'a Pritcharda, fizyk z Massachusetts Institute of Technology, który odwiedził grupę paryską w 1986 r. Podczas tej wizyty Pritchard wygłosił przemówienie na temat pomysłów na produkcję pułapek o większej objętości i zakończył stwierdzeniem, że z radością przyjmie inne – lepsze – sugestie.

„Poszedłem do Dave'a i powiedziałem: «No cóż, mam pomysł, choć nie jestem pewien, czy jest lepszy, ale jest inny niż twój»” – wspomina Dalibard. Pritchard przeniósł pomysł Dalibarda z powrotem do Stanów Zjednoczonych i w 1987 roku wraz z Chu zbudowali pierwszą pułapkę magnetooptyczną (MOT) w oparciu o analizę Dalibarda. Dalibardowi zaproponowano współautorstwo powstałej w ten sposób pracy, ale był szczęśliwy, że po prostu został doceniony w podziękowaniach.

Trudno przecenić, jak rewolucyjny był przegląd MOT dla rozwoju chłodzenia laserowego. Jest to stosunkowo proste urządzenie, wymagające jedynie jednej częstotliwości lasera i stosunkowo słabego pola magnetycznego do wytworzenia silnych pułapek. Najważniejsza jest jednak jego pojemność. Pierwsza całkowicie optyczna pułapka Chu i Ashkina zawierała setki atomów, pierwsza pułapka magnetyczna Phillipsa zawierała kilka tysięcy, ale pierwsza pułapka magnetooptyczna zawierała dziesięć milionów atomów. Wraz z wprowadzeniem tanich laserów diodowych przez Carla Wiemana na Uniwersytecie Kolorado (o czym więcej w części 3 tej serii), pojawienie się MOT spowodowało gwałtowny wzrost liczby grup zajmujących się chłodzeniem laserowym na całym świecie. Tempo badań miało wkrótce przyspieszyć.

Prawo Murphy'ego bierze urlop

Podczas gdy Pritchard i Chu budowali pierwszy przegląd techniczny, Phillips i jego koledzy z Gaithersburga napotkali niezwykle nietypowy problem z melasą optyczną. Wbrew wszelkim oczekiwaniom fizyki doświadczalnej melasa działała zbyt dobrze. W rzeczywistości może chłodzić atomy nawet przy częściowym zablokowaniu niektórych wiązek.

Do odkrycia tego doszło po części dlatego, że chłodzenie laserowe miało być pobocznym projektem Phillipsa, dlatego jego laboratorium ulokowano w pomieszczeniu przygotowawczym połączonym z warsztatem mechanicznym. Aby zapobiec gromadzeniu się kurzu i tłuszczu w laboratorium, członkowie grupy zakrywali na noc okna systemu plastikiem lub bibułą filtracyjną. „Czasami można było uzyskać naprawdę zniekształconą melasę” – wspomina Paweł Lett, który dołączył do grupy w 1986 r., „i wtedy zdalibyście sobie sprawę, że och, to nie my wyjęliśmy ten kawałek bibuły filtracyjnej. To niezwykłe, że w ogóle zadziałało”.

Ta zaskakująca wytrwałość skłoniła Letta do nalegania na bardziej systematyczne badania, obejmujące nowy zestaw pomiarów temperatury. Metoda „uwalniania i ponownego wychwytywania” opracowana przez grupę Bell Labs charakteryzowała się stosunkowo dużą niepewnością, dlatego grupa Phillipsa wypróbowała nową metodę polegającą na wykrywaniu światła emitowanego, gdy atomy przechodziły przez wiązkę sondy umieszczoną w pobliżu melasy. Kiedy wyłączono melasę, atomy odleciały. Czas potrzebny im na dotarcie do sondy dałby bezpośredni pomiar ich prędkości, a tym samym temperatury.

Podobnie jak w przypadku wszystkich eksperymentów z chłodzeniem laserowym, laboratorium Phillipsa upakowało wiele soczewek i luster na małej przestrzeni, a najdogodniejszym miejscem do umieszczenia sondy okazało się nieco powyżej obszaru melasy. Powinno to działać dobrze w przypadku atomów poruszających się z prędkością graniczną dopplera, ale kiedy Lett przeprowadził eksperyment, żaden atom nie dotarł do sondy. W końcu on i jego koledzy przesunęli sondę poniżej melasy i wtedy zobaczyli piękny sygnał. Był tylko jeden problem: granica chłodzenia Dopplera wynosiła 240 mikrokelwinów, ale pomiar „czasu przelotu” wykazał temperaturę 40 mikrokelwinów.

Kreskówka Hala Metcalfa i Billa Phillipsa

Wynik ten wydaje się naruszać prawo Murphy'ego, czyli zasadę, że „wszystko, co może pójść źle, to się stanie”, więc nie chcieli tego od razu zaakceptować. Ponownie zmierzyli temperaturę, stosując kilka różnych technik, w tym ulepszone uwalnianie i ponowne wychwytywanie, ale ciągle uzyskiwali ten sam wynik: atomy były znacznie zimniejsze, niż było to możliwe w teorii.

Na początku 1988 roku Phillips i jego firma skontaktowali się z innymi grupami zgranej społeczności producentów chłodnic laserowych, prosząc ich o sprawdzenie temperatur w ich własnych laboratoriach. Chu i Wieman szybko potwierdzili zaskakujący wynik: melasa optyczna nie tylko chłodziła atomy, ale działała lepiej, niż przewidywała teoria.

Wspinaczka na wzgórze

Grupa paryska nie miała jeszcze programu eksperymentalnego, ale Dalibard i Cohen-Tannoudji zaatakowali problem teoretycznie za pomocą tego samego rzeczywistego czynnika, którego Dalibard użył do opracowania MOT: wielu wewnętrznych stanów atomowych. Stan podstawowy sodu ma pięć podpoziomów o tej samej energii, a rozkład atomów pomiędzy tymi stanami zależy od natężenia i polaryzacji światła. Ten proces dystrybucji, zwany „pompowaniem optycznym”, miał kluczowe znaczenie dla badań spektroskopowych prowadzonych w ENS w Paryżu pod kierunkiem Cohena-Tannoudjiego, zatem jego grupa wyjątkowo dobrze nadawała się do badania, w jaki sposób te dodatkowe stany mogą poprawić chłodzenie lasera.

Kluczową cechą okazuje się polaryzacja światła lasera, która w fizyce klasycznej odpowiada osi oscylującego pola elektrycznego światła. Połączenie sześciu przeciwbieżnych wiązek powoduje skomplikowany rozkład polaryzacji, ponieważ wiązki łączą się na różne sposoby w różnych miejscach melasy optycznej. Atomy są stale pompowane optycznie do różnych konfiguracji, co wydłuża proces chłodzenia i umożliwia obniżenie temperatur.

Latem 1988 roku Dalibard i Cohen-Tannoudji opracowali elegancki model wyjaśniający chłodzenie subdopplerowskie. (Chu niezależnie doszedł do podobnego wyniku, który, jak pamięta, wyprowadził z pociągu pomiędzy dwiema konferencjami w Europie). Rozważali uproszczony atom mający tylko dwa podpoziomy stanu podstawowego, tradycyjnie oznaczone –½ i +½, oświetlone przez dwie wiązki laserowe rozchodzące się w przeciwne kierunki z przeciwną polaryzacją liniową. Tworzy to wzór, który zmienia się pomiędzy dwoma stanami polaryzacji, oznaczonymi jako σ- i σ+.

Atom w obszarze σ- polaryzacja zostanie optycznie przeniesiona do stanu –½, w którym następuje duże przesunięcie światła, które obniża jego energię wewnętrzną. Gdy atom porusza się w kierunku σ+ obszarze polaryzacji, przesunięcie światła maleje, a atom musi zwolnić, aby to skompensować, tracąc energię kinetyczną, aby zrekompensować wzrost energii wewnętrznej, jak piłka tocząca się po wzgórzu. Kiedy osiągnie σ+ lekkie, pompowanie optyczne spowoduje przejście do stanu +½, który charakteryzuje się dużym przesunięciem światła. Atom nie odzyskuje energii utraconej wspinając się na „wzgórze” z σ- regionie, więc porusza się wolniej, gdy proces zaczyna się od nowa: przesunięcie światła zmniejsza się w miarę przesuwania się w kierunku następnego σ- regionie, więc traci energię, a następnie optycznie pompuje do –½ i tak dalej.

Ten proces utraty energii w wyniku ciągłego wspinania się na „wzgórza” zyskał wymowną nazwę: Dalibard i Cohen-Tannoudji nazwali go chłodzeniem Syzyfa, na cześć króla z greckiego mitu, który został skazany na wieczność wpychania głazu pod górę tylko po to, by skała się osunęła oddalić się i wrócić na dno (rysunek 4). Atomy w melasie optycznej znajdują się w podobnej sytuacji, zawsze wspinając się po wzgórzach i tracąc energię, a następnie pompowanie optyczne sprowadza je na dno i zmusza do rozpoczęcia od nowa.

4 Chłodzenie Syzyfa

Zimniej: jak fizycy przekroczyli teoretyczną granicę chłodzenia laserowego i położyli podwaliny pod rewolucję kwantową – Physics World PlatoBlockchain Data Intelligence. Wyszukiwanie pionowe. AI.

Poruszający się atom w stanie –½ widzi duże przesunięcie światła, obniżające jego energię wewnętrzną, gdy jest skąpany w świetle o polaryzacji sigma-minus. W miarę przesuwania się w kierunku obszaru zawierającego światło spolaryzowane sigma-plus (czerwony obszar diagramu) przesunięcie światła maleje, a atom zwalnia, aby nadrobić zmianę energii. Kiedy dojdzie do σ+ regionie, pompowanie optyczne przenosi go do stanu +½, w którym jego energia wewnętrzna jest niska, ale nadal porusza się wolniej. Następnie proces się powtarza: przesuwanie się w stronę σ-, zwalnianie, pompowanie optyczne do –½ itd.

Nagrody Syzyfa

Teoria chłodzenia Syzyfa pozwala na konkretne przewidywania dotyczące temperatur minimalnych i ich zależności od rozstrojenia lasera i pola magnetycznego. Przewidywania te szybko zostały potwierdzone w laboratoriach na całym świecie. Jesienią 1989 r Journal of Optical Society of America B opublikował wydanie specjalne na temat chłodzenia laserowego zawierający wyniki eksperymentów grupy Phillipsa w Gaithersburgu, teorię Syzyfa z Paryża oraz połączoną pracę eksperymentalną i teoretyczną grupy Chu, która do tego czasu przeniosła się z Bell Labs na Uniwersytet Stanforda w Kalifornii. Przez większą część następnej dekady to specjalne wydanie uważano za ostateczne źródło informacji dla studentów pragnących zrozumieć chłodzenie laserowe, a Cohen-Tannoudji i Chu podzielili się swoimi spostrzeżeniami 1997 Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki z Phillipsem.

Doprowadzony do granic możliwości efekt Syzyfa może ochłodzić atomy do punktu, w którym nie mają już wystarczającej energii, aby wspiąć się nawet na pojedyncze „wzgórze” i zamiast tego ograniczają się do maleńkiego obszaru o pojedynczej polaryzacji. To zamknięcie jest tak samo ścisłe, jak w przypadku uwięzionych jonów, dzięki czemu dwie gałęzie chłodzenia laserowego są ładnie symetryczne. Na początku lat 1990. zarówno uwięzione jony, jak i neutralne atomy można było schłodzić do stanu, w którym ujawniona zostanie ich natura kwantowa: pojedynczy jon w pułapce lub atom w „studni” utworzonej podczas chłodzenia Syzyfa może istnieć tylko w określonej dyskretnej energii stwierdza. Wkrótce zmierzono te dyskretne stany dla obu systemów; obecnie stanowią zasadniczą część obliczeń kwantowych wykorzystujących atomy i jony.

Kolejny intrygujący kierunek badań dotyczył samych studni. Powstają one w wyniku interferencji wiązek światła i naturalnie występują w dużych układach w odstępach wynoszących połowę długości fali lasera. Okresowy charakter tych tak zwanych sieci optycznych naśladuje mikroskopijną strukturę materii stałej, w której atomy pełnią rolę elektronów w sieci krystalicznej. To podobieństwo sprawia, że ​​uwięzione atomy są użyteczną platformą do badania zjawisk fizyki materii skondensowanej, takich jak nadprzewodnictwo.

Aby jednak naprawdę zbadać nadprzewodnictwo za pomocą zimnych atomów, sieć musi zostać obciążona atomami o większej gęstości i jeszcze niższej temperaturze, niż można to osiągnąć przy chłodzeniu Syzyfa. Jak zobaczymy w części 3, dotarcie tam wymagałoby jeszcze jednego nowego zestawu narzędzi i technik i otworzyłoby możliwość tworzenia nie tylko analogii znanych układów, ale zupełnie nowych stanów materii.

  • Część 3 historii chłodzenia laserowego wg Czad Orzeł zostaną wkrótce opublikowane Świat Fizyki

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki