Mais frio: como os físicos superaram o limite teórico do resfriamento do laser e lançaram as bases para uma revolução quântica – Physics World

No final da década de 1960, uma pequena comunidade de pesquisadores começou a usar as forças da luz para empurrar pequenos objetos. Na década seguinte, o campo se expandiu para incluir o resfriamento a laser, uma técnica poderosa que explora o Deslocamento Doppler para produzir uma força que só pode desacelerar os objetos e nunca acelerá-los. Com o passar dos anos, esses novos experimentos de resfriamento a laser desenvolveram-se ao longo de duas trilhas paralelas – íons e átomos – exploradas em parte 1 desta série: “Frio: como os físicos aprenderam a manipular e mover partículas com resfriamento a laser”.

Em muitos aspectos, os íons tiveram uma vantagem inicial. Devido à sua carga elétrica, eles sofrem forças eletromagnéticas, que são fortes o suficiente para permitir que sejam capturados em armadilhas eletromagnéticas em altas temperaturas e resfriados por lasers em comprimentos de onda ultravioleta. Em 1981, os caçadores de íons refinaram essa técnica a ponto de poderem capturar e detectar íons únicos e realizar espectroscopia neles com uma precisão sem precedentes.

Os átomos, por outro lado, precisam ser desacelerados antes que possam ser aprisionados por forças mais fracas exercidas pela luz e pelos campos magnéticos. Ainda assim, em 1985 Bill Phillips e colegas da Escritório Nacional de Padrões dos EUA em Gaithersburg, Maryland, usou a luz para desacelerar um feixe de átomos de sódio até quase parar, e então os confinou em uma armadilha magnética. Além disso, o principal desafio para os aspirantes a domadores de átomos parecia envolver a construção deste trabalho para tornar a captura de átomos neutros mais eficiente e ampliar os limites do próprio processo de resfriamento.

Ambos os projetos teriam um sucesso além das expectativas de qualquer um. E tal como vimos na parte 1, as raízes deste sucesso remontam a Artur Ashkin at Bell Labs.

Boa ideia, execução inadequada

Quando conhecemos Ashkin pela última vez, era 1970 e ele tinha acabado de desenvolver a técnica de “pinça óptica” que lhe valeria o Prêmio Nobel quase 50 anos depois. No final da década de 1970, ele estava trabalhando com seus colegas do Bell Labs em experimentos envolvendo um feixe atômico. “Rick Freeman Eu tinha uma máquina de feixe atômico e fiz alguns experimentos que seriam interessantes de fazer com um feixe atômico, mas não estava muito entusiasmado em construir uma máquina de feixe atômico”, lembra John Bjorkholm, então colega de Ashkin.

Ao sobrepor um feixe de laser com o feixe de átomos, Ashkin e Bjorkholm mostraram que era possível focar ou desfocar os átomos ajustando a frequência da luz. Com o laser sintonizado no vermelho – numa frequência ligeiramente inferior à que os átomos “querem” absorver – a interação entre os átomos e a luz diminuiria a energia interna dos átomos (o “deslocamento da luz”), atraindo os átomos para o feixe de laser. Com o laser sintonizado no azul, os átomos foram expulsos.

Ashkin teve várias ideias para transformar esse fenômeno em um método “totalmente óptico” para capturar átomos (isto é, sem os campos magnéticos usados ​​pelo grupo de Phillips). Infelizmente, Ashkin e Bjorkholm tiveram dificuldades para implementá-lo porque o feixe atômico de Freeman foi construído com janelas de plexiglass que não conseguiam sustentar pressões suficientemente baixas. Os átomos e moléculas que vazaram de fora não foram afetados pelos lasers de resfriamento e, como resultado, quando colidiram com os átomos do feixe, expulsaram os átomos alvo da armadilha. Depois de alguns anos de resultados decepcionantes, a liderança do Bell Labs azedou com os experimentos e pressionou Ashkin a buscar outras coisas.

Nadadores em um fluido viscoso

Nessa época, um jovem pesquisador com uma reputação (que se autodenomina) como “um cara que conseguia realizar experimentos difíceis” mudou-se para um escritório perto de Ashkin, nas instalações do Bell Labs em Holmdel. O nome dele era Steve Chu, e ele ficou interessado nas ideias de Ashkin. Juntos, eles construíram um sistema de vácuo ultra-alto adequado para resfriamento e aprisionamento de átomos, além de um sistema para desacelerar os átomos de sódio, varrendo rapidamente a frequência do laser para compensar a mudança no deslocamento Doppler. A última técnica é conhecida como “resfriamento por chirp”; por uma feliz coincidência, os cientistas que desenvolveram uma das suas principais tecnologias também estiveram em Holmdel.

Neste ponto, Chu sugeriu que eles pré-resfriassem os átomos, iluminando-os com três pares perpendiculares de feixes de laser de contrapropagação, todos sintonizados em uma frequência logo abaixo da frequência de transição dos átomos, conforme discutido na parte 1. Esta configuração fornece uma força de resfriamento. em todas as três dimensões simultaneamente: um átomo que se move para cima vê o feixe de laser Doppler descendente deslocado para cima, absorve fótons e desacelera; um átomo que se move para a esquerda vê os fótons no feixe que se dirige para a direita deslocados para cima e assim por diante. Não importa para que lado os átomos se movam, eles sentem uma força que se opõe ao seu movimento. A semelhança com a situação de um nadador num fluido viscoso levou Chu a apelidá-lo de “melaço óptico” (figura 1).

A equipe do Bell Labs demonstrou melaço óptico em 1985, coletando milhares de átomos de um feixe resfriado por chirp. Como convém ao nome, o melaço óptico era muito “pegajoso”, retendo os átomos nos feixes sobrepostos por cerca de um décimo de segundo (praticamente uma eternidade na física atômica) antes de eles se afastarem. Enquanto estão na região do melaço, os átomos estão constantemente absorvendo e reemitindo luz dos lasers de resfriamento, de modo que aparecem como uma nuvem difusa e brilhante. A quantidade total de luz forneceu uma medida fácil do número de átomos.

Ashkin, Chu e seus colaboradores também conseguiram estimar a temperatura dos átomos. Eles fizeram isso medindo quantos átomos havia no melaço, desligando a luz por um curto período de tempo, ligando-a novamente e medindo novamente o número. Durante o intervalo escuro, a nuvem atômica se expandiria e alguns átomos escapariam da região dos feixes de melaço. Esta taxa de escape permitiu à equipe calcular a temperatura dos átomos: cerca de 240 microkelvin – exatamente em linha com o mínimo esperado para átomos de sódio resfriados a laser.

Transformando melaço em uma armadilha

Apesar da sua viscosidade, o melaço óptico não é uma armadilha. Embora desacelere os átomos, uma vez que os átomos se aproximam da borda dos feixes de laser, eles podem escapar. Uma armadilha, por outro lado, fornece uma força que depende da posição, empurrando os átomos de volta para uma região central.

A maneira mais simples de criar uma armadilha é com um feixe de laser bem focado, semelhante às pinças ópticas que Ashkin desenvolveu para capturar objetos microscópicos. Embora o volume do foco do laser seja uma pequena fração do volume do melaço, Ashkin, Bjorkholm e (independentemente) Chu perceberam que um número significativo de átomos poderia, no entanto, acumular-se em tal armadilha através da difusão aleatória no melaço. Quando eles adicionaram um feixe de laser separado ao melaço, os resultados foram promissores: um pequeno ponto brilhante apareceu na nuvem difusa do melaço, representando várias centenas de átomos presos.

Ir além disso, no entanto, apresentou desafios técnicos. O problema é que a mudança nos níveis de energia atômica que torna possível o aprisionamento óptico de feixe único dificulta o processo de resfriamento: quando o laser de aprisionamento reduz a energia do estado fundamental do átomo, ele altera a dessintonização efetiva da frequência do laser de resfriamento. Usar um segundo laser e alternar entre resfriamento e aprisionamento melhora o número de átomos que podem ser aprisionados, mas ao custo de complexidade adicional. Para progredir ainda mais, os físicos precisariam de átomos mais frios ou de uma armadilha melhor.

A conexão francesa

Ambos estavam no horizonte. Claude Cohen-Tannoudji e seu grupo na École Normale Supérieure (ENS) em Paris abordavam principalmente o resfriamento a laser do lado teórico. Jean Dalibard, então recém-formado PhD no grupo, lembra-se de ter estudado análises teóricas de Ashkin e Jim Gordon (“um artigo fantástico”) e pela dupla soviética de Vladilen Letokhov e Vladimir Minogin, que (com Boris D Pavlik) derivou a temperatura mínima alcançável com o resfriamento a laser em 1977.

Como vimos na parte 1, esta temperatura mínima é conhecida como limite de resfriamento Doppler e decorre dos “pontapés” aleatórios que ocorrem quando os átomos reemitem fótons após absorverem a luz de um dos feixes de resfriamento. Curioso para saber quão firme era realmente esse “limite”, Dalibard procurou maneiras de manter os átomos “no escuro” tanto quanto possível. Para fazer isso, ele explorou uma propriedade dos átomos reais que não é capturada pela teoria padrão de resfriamento Doppler: os estados atômicos reais não são níveis de energia únicos, mas coleções de subníveis com a mesma energia, mas momentos angulares diferentes (figura 2).

Esses diferentes subníveis, ou estados de momento, mudam de energia na presença de um campo magnético (o efeito Zeeman). À medida que o campo fica mais forte, alguns estados aumentam em energia, enquanto outros diminuem. Essas funções são então invertidas quando a direção do campo se inverte. Um outro fator complicador é que a polarização da luz do laser determina quais subníveis irão absorver os fótons. Enquanto uma polarização move átomos entre estados de uma forma que aumenta o momento angular, outra o diminui.

Na sua análise teórica, Dalibard combinou estes subníveis com um campo magnético que é zero em algum ponto e aumenta à medida que os átomos se movem para fora. Ao fazer isso, ele criou uma situação em que a dessintonia efetiva da frequência do laser dependia da posição dos átomos. (Phillips e colegas usaram uma configuração semelhante para sua armadilha magnética, mas em um campo muito mais alto.) Os átomos poderiam, portanto, absorver de um determinado laser apenas na posição específica onde a combinação de desafinação, deslocamento Doppler e deslocamento Zeeman estavam certos ( Figura 3).

Dalibard esperava que restringir a capacidade dos átomos de absorver luz desta forma pudesse diminuir a sua temperatura mínima. Depois de calcular que isso não aconteceria, ele arquivou a ideia. “Vi que era uma armadilha, mas não estava procurando uma armadilha, estava procurando um resfriamento sub-Doppler”, explica.

Poderia ter sido aí que tudo terminou se não fosse por David Pritchard, físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts que visitou o grupo de Paris em 1986. Durante a visita, Pritchard deu uma palestra sobre ideias para produzir armadilhas de maior volume e finalizou dizendo que aceitaria outras sugestões – melhores.

“Procurei Dave e disse: 'Bem, tenho uma ideia e não tenho certeza se é melhor, mas é diferente da sua'”, lembra Dalibard. Pritchard levou a ideia de Dalibard de volta aos EUA e, em 1987, ele e Chu construíram a primeira armadilha magneto-óptica (MOT) com base na análise de Dalibard. Dalibard recebeu a oferta de coautoria do artigo resultante, mas ficou feliz simplesmente por ser reconhecido nos agradecimentos.

É difícil exagerar o quão revolucionário foi o MOT para o desenvolvimento do resfriamento a laser. É um dispositivo relativamente simples, exigindo apenas uma única frequência de laser e um campo magnético relativamente fraco para produzir armadilhas fortes. O melhor de tudo, porém, é a sua capacidade. A primeira armadilha totalmente óptica de Chu e Ashkin continha centenas de átomos, a primeira armadilha magnética de Phillips vários milhares, mas a primeira armadilha magneto-óptica continha dez milhões de átomos. Juntamente com a introdução de lasers de diodo baratos por Carl Wieman na Universidade do Colorado (sobre os quais falaremos mais na parte 3 desta série), o advento do MOT desencadeou uma rápida explosão no número de grupos que estudam o resfriamento de laser em todo o mundo. O ritmo da pesquisa estava prestes a acelerar.

A lei de Murphy tira férias

Enquanto Pritchard e Chu construíam o primeiro MOT, Phillips e seus colegas de Gaithersburg encontravam um problema extremamente incomum com seu melaço óptico. Contrariamente a todas as expectativas da física experimental, o melaço funcionou demasiado bem. Na verdade, ele poderia resfriar átomos mesmo com alguns de seus feixes parcialmente bloqueados.

Essa descoberta ocorreu em parte porque o resfriamento a laser deveria ser um projeto paralelo de Phillips, então seu laboratório foi instalado em uma sala de preparação conectada a uma oficina mecânica. Para evitar que poeira e gordura se acumulassem no sistema de vácuo do laboratório, os membros do grupo cobriam as janelas do sistema com plástico ou papel de filtro à noite. “Ocasionalmente, você obteria um melaço com aparência realmente distorcida”, lembra Paulo Lett, que entrou no grupo em 1986, “e aí você percebia que, ah, a gente não tirou aquele pedaço de papel de filtro. Foi notável que tenha funcionado.”

Esta persistência surpreendente levou Lett a pressionar por um estudo mais sistemático, incluindo um novo conjunto de medições de temperatura. O método de “liberação e recaptura” desenvolvido pelo grupo Bell Labs tinha incertezas relativamente grandes, então o grupo de Phillips tentou um novo método que envolvia a detecção da luz emitida quando os átomos cruzavam um feixe de sonda colocado perto do melaço. Quando o melaço fosse desligado, os átomos voariam para longe. O tempo que levaram para chegar à sonda daria uma medida direta de sua velocidade e, portanto, de sua temperatura.

Como todos os experimentos de resfriamento a laser, o laboratório de Phillips reuniu muitas lentes e espelhos em um espaço minúsculo, e o local mais conveniente para colocar a sonda acabou sendo um pouco acima da região do melaço. Isto deveria ter funcionado bem para átomos viajando na velocidade limite Doppler, mas quando Lett tentou o experimento, nenhum átomo alcançou a sonda. Eventualmente, ele e os seus colegas mudaram a posição da sonda para abaixo do melaço, altura em que viram um belo sinal. Havia apenas um problema: o limite de resfriamento Doppler era de 240 microkelvin, mas essa medição do “tempo de voo” mostrou uma temperatura de 40 microkelvin.

Este resultado parece violar a lei de Murphy, a máxima de que “tudo o que pode correr mal, dará”, pelo que não estavam dispostos a aceitá-lo imediatamente. Eles mediram novamente a temperatura usando diversas técnicas diferentes, incluindo uma melhor liberação e recaptura, mas continuaram obtendo o mesmo resultado: os átomos eram muito mais frios do que a teoria dizia ser possível.

No início de 1988, Phillips e companhia contataram outros grupos da comunidade unida de resfriadores a laser, pedindo-lhes que verificassem as temperaturas em seus próprios laboratórios. Chu e Wieman confirmaram rapidamente o resultado surpreendente: o melaço óptico não só funcionou para resfriar átomos, mas funcionou melhor do que a teoria dizia que funcionaria.

Subindo uma colina

O grupo de Paris ainda não tinha um programa experimental, mas Dalibard e Cohen-Tannoudji atacaram o problema teoricamente através do mesmo factor do mundo real que Dalibard usou para desenvolver o MOT: múltiplos estados atómicos internos. O estado fundamental do sódio possui cinco subníveis com a mesma energia, e a distribuição dos átomos entre esses estados depende da intensidade e polarização da luz. Este processo de distribuição, denominado “bombeamento óptico”, foi fundamental para a pesquisa espectroscópica que estava sendo realizada na ENS em Paris sob a orientação de Cohen-Tannoudji, portanto seu grupo era excepcionalmente adequado para explorar como esses estados adicionais poderiam melhorar o resfriamento do laser.

A principal característica é a polarização da luz laser, que na física clássica corresponde ao eixo do campo elétrico oscilante da luz. A combinação de seis feixes de contrapropagação produz uma distribuição complicada de polarizações à medida que os feixes se combinam de diferentes maneiras em diferentes locais do melaço óptico. Os átomos são constantemente bombeados opticamente em diferentes configurações, ampliando o processo de resfriamento e permitindo temperaturas mais baixas.

No verão de 1988, Dalibard e Cohen-Tannoudji desenvolveram um modelo elegante para explicar o resfriamento sub-Doppler. (Chu chegou independentemente a um resultado semelhante, que ele lembra ter obtido em um trem entre duas conferências na Europa.) Eles consideraram um átomo simplificado com apenas dois subníveis de estado fundamental, tradicionalmente rotulados –½ e +½, iluminados por dois feixes de laser que se propagam em direções opostas com polarizações lineares opostas. Isso cria um padrão que alterna entre dois estados de polarização, denominado σ^- e σ⁺.

Um átomo em uma região de σ^- a polarização será bombeada opticamente para o estado –½, que experimenta uma grande mudança de luz que reduz sua energia interna. À medida que o átomo se move em direção ao σ⁺ região de polarização, o deslocamento da luz diminui e o átomo deve desacelerar para compensar, perdendo energia cinética para compensar o aumento da energia interna, como uma bola rolando colina acima. Quando atinge o σ⁺ luz, o bombeamento óptico fará com que ele mude para o estado +½, que tem uma grande mudança de luz. O átomo não recupera a energia que perdeu subindo a “colina” para fora do σ^- região, porém, ela se move mais lentamente à medida que o processo recomeça: o deslocamento da luz diminui à medida que ela se move em direção ao próximo σ^- região, então ele perde energia, então bombeia opticamente para –½ e assim por diante.

Este processo de perda de energia através da subida constante de “colinas” forneceu um nome vívido: Dalibard e Cohen-Tannoudji o apelidaram de resfriamento de Sísifo, em homenagem ao rei do mito grego que foi condenado a passar a eternidade empurrando uma pedra colina acima apenas para ver a rocha escorregar. afaste-se e volte para o fundo (figura 4). Os átomos do melaço óptico encontram-se numa situação semelhante, sempre subindo colinas e perdendo energia apenas para que o bombeamento óptico os devolva ao fundo e os force a começar de novo.

As recompensas de Sísifo

A teoria por trás do resfriamento de Sísifo faz previsões concretas sobre as temperaturas mínimas e como elas dependem da desafinação do laser e do campo magnético. Essas previsões foram rapidamente confirmadas em laboratórios de todo o mundo. No outono de 1989, o Jornal da Sociedade Óptica da América B publicou uma edição especial sobre resfriamento a laser contendo resultados experimentais do grupo de Phillips em Gaithersburg, a teoria de Sísifo de Paris, e um artigo experimental e teórico combinado do grupo de Chu, que já havia se mudado do Bell Labs para a Universidade de Stanford, na Califórnia. Durante a maior parte da década seguinte, esta edição especial foi considerada a fonte definitiva para estudantes que buscavam entender o resfriamento a laser, e Cohen-Tannoudji e Chu passaram a compartilhar o Prêmio Nobel de Física de 1997 com Phillips.

Levado ao seu limite, o efeito Sísifo pode arrefecer os átomos até ao ponto em que já não têm energia suficiente para escalar sequer uma única “colina” e, em vez disso, ficam confinados a uma pequena região de uma única polarização. Esse confinamento é tão rígido quanto para íons presos, tornando os dois ramos do resfriamento do laser bastante simétricos. No início da década de 1990, os íons presos e os átomos neutros poderiam ser resfriados a um regime onde suas naturezas quânticas se tornassem aparentes: um único íon em uma armadilha, ou um átomo em um “poço” criado no resfriamento de Sísifo, só pode existir em determinada energia discreta. estados. Estes estados discretos foram logo medidos para ambos os sistemas; hoje, eles são uma parte essencial da computação quântica com átomos e íons.

Outra via de pesquisa intrigante dizia respeito aos próprios poços. Eles são formados quando os feixes de luz interferem e ocorrem naturalmente em grandes arranjos com espaçamento de metade do comprimento de onda do laser. A natureza periódica dessas chamadas redes ópticas imita a estrutura microscópica da matéria sólida, com os átomos desempenhando o papel de elétrons em uma rede cristalina. Essa semelhança torna os átomos aprisionados uma plataforma útil para explorar fenômenos físicos da matéria condensada, como a supercondutividade.

Para realmente explorar a supercondutividade com átomos frios, porém, a rede deve ser carregada com átomos com uma densidade mais alta e uma temperatura ainda mais baixa do que a que pode ser alcançada com o resfriamento de Sísifo. Como veremos na parte 3, chegar lá exigiria ainda outro novo conjunto de ferramentas e técnicas e abriria a possibilidade de criar não apenas análogos de sistemas conhecidos, mas estados da matéria inteiramente novos.

• Parte 3 da história do resfriamento a laser por Chade Orzel será publicado em breve no Mundo da física

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