Cel mai rece: cum o scrisoare către Einstein și progresele în tehnologia de răcire cu laser i-au condus pe fizicieni la noi stări cuantice ale materiei - Physics World

În ultimele două decenii ale secolului al XX-lea, fizicienii atomici au doborât în ​​mod repetat recordul pentru cea mai rece temperatură din univers. Aceste realizări s-au bazat pe o mână de progrese, inclusiv răcirea cu laser (așa cum este descris în parte 1 din această istorie), capcana magneto-optică și tehnici precum răcirea cu Sisif care au funcționat mai bine decât se aștepta (așa cum este descris în parte 2). Până în 1990, fizicienii răceau în mod obișnuit zeci de milioane de atomi la temperaturi de câteva zeci de microkelvin peste zero absolut – de o mie de ori mai reci decât criogenia convențională și o fracțiune din „limita de răcire Doppler” prevăzută pentru răcirea cu laser a atomilor simpli.

Oricât de dramatică a fost această scădere, totuși, o scădere și mai provocatoare a temperaturii a făcut semn: un alt factor de 1000, de la microkelvin la nanokelvin. Această scădere suplimentară ar introduce un nou domeniu al fizicii cunoscut sub numele de degenerescență cuantică. Aici, temperaturile scăzute și densitățile mari forțează atomii într-una dintre cele două stări exotice ale materiei: fie o Condens Bose-Einstein (BEC), în care toți atomii dintr-un gaz se unesc în aceeași stare cuantică, sau un gaz Fermi degenerat (DFG), în care energia totală a gazului încetează să scadă deoarece toate stările de energie disponibile sunt pline (figura 1).

BEC-urile și DFG-urile sunt fenomene pur cuantice, iar spinul total al unui atom dictează care dintre ele se va forma. Dacă atomul are un număr par de electroni, protoni și neutroni, este un boson și poate suferi BEC. Dacă totalul este impar, este un fermion și poate face un DFG. Diferiți izotopi ai aceluiași element se comportă uneori în moduri opuse - fizicienii au făcut BEC-uri de litiu-7 și DFG-uri cu litiu-6 - și această diferență în comportamentul la temperatură joasă este una dintre cele mai dramatice demonstrații ale diviziunii fundamentale dintre particulele cuantice.

Ca și în cazul descoperirilor anterioare descrise în această serie, scufundarea către degenerescența cuantică a avut loc datorită noilor tehnologii introduse în laboratoarele de cercetare răspândite în întreaga lume. Și – din nou, ca și în cazul progreselor anterioare – una dintre aceste tehnologii a ajuns în întregime întâmplător.

Răcire cu laser la ieftin

La mijlocul anilor 1980, Carl Wieman studia încălcarea parității în atomii de cesiu la Universitatea din Colorado, Boulder, în SUA. Aceste studii necesită măsurători spectroscopice exigente și consumatoare de timp, iar studentul doctorand al lui Wieman Watt bogat a dezvoltat o modalitate de a le face folosind lasere cu diode, cum ar fi cele fabricate de milioane pentru CD playere.

După ce a petrecut ani de zile gândind cum să stabilizeze și să controleze aceste dispozitive ieftine, cu stare solidă, Watts (destul de rezonabil) a vrut să-și termine doctoratul, așa că el și Wieman au căutat în jur un experiment pe termen mai scurt pentru a le testa. Răspunsul la care au ajuns a fost răcirea cu laser. „A fost o chestie secundară distractivă să închei teza acestui student”, își amintește Wieman, „și așa am intrat în [răcirea cu laser]”.

În 1986, Watts și Wieman au devenit mai întâi să răcească cu laser un fascicul de atomi de cesiu. Watts a fost, de asemenea, primul care a răcit cu laser rubidium, ca postdoc cu Hal Metcalf de la Universitatea Stony Brook la New York și a participat la experimentele seminale care au relevat răcirea sub-Doppler Bill Phillips’ de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie al SUA (NIST) din Gaithersburg, Maryland. Cu toate acestea, ca un alt jucător cheie pe care îl vom întâlni în această istorie, Watts a părăsit scena prea devreme, murind la doar 39 de ani în 1996.

Între timp, Wieman avea nevoie de o nouă țintă științifică, ceva ce putea fi făcut doar cu atomi reci. El, împreună cu noii colegi și concurenți, l-au găsit într-o idee foarte veche cu un pedigree științific impecabil: condensarea Bose-Einstein.

O cursă până jos

în 1924 Satyendra Nath Bose a fost fizician la Universitatea din Dhaka în ceea ce este acum Bangladesh. În timp ce preda noul domeniu în dezvoltare rapidă al fizicii cuantice, el și-a dat seama că formula lui Max Planck pentru spectrul luminii de la un obiect fierbinte ar putea fi derivată din regulile statistice care guvernează comportamentul fotonilor, care sunt mult mai probabil decât particulele clasice să fie găsite în aceleași stări.

Bose a avut probleme la publicarea lucrării sale, așa că i-a trimis o copie lui Albert Einstein, căruia i-a plăcut atât de mult încât a aranjat ca aceasta să fie publicat în Zeitschrift für Physik alături de o hârtie a lui. Contribuțiile lui Einstein au inclus extinderea statisticii fotonilor la alte tipuri de particule (inclusiv atomi) și sublinierea unei consecințe interesante: la temperaturi foarte scăzute, cea mai probabilă stare a sistemului este ca toate particulele să ocupe aceeași stare de energie.

Această stare colectivă se numește acum BEC și este strâns legată de superfluiditate și supraconductivitate, care sunt observate în lichide și solide (respectiv) la temperaturi apropiate de zero absolut. Totuși, tranziția BEC în sine ar putea avea loc, în principiu, într-un gaz diluat de atomi – la fel ca cei pe care fizicienii atomici au început să le creeze în anii 1970.

Au fost însă câteva bariere. Unul este că temperatura critică la care se formează un BEC este determinată de densitate: cu cât densitatea este mai mică, cu atât temperatura critică este mai mică. Deși răcirea lui Sisyphus a făcut posibile temperaturile microkelvin, vaporii atomici răciți cu laser sunt atât de difuzi încât temperatura lor de tranziție este și mai scăzută, în intervalul nanokelvin. Este, de asemenea, mai mică decât „temperatura de recul” asociată cu atomii care absorb sau emit un singur foton. Răcirea sub această limită trebuie deci făcută fără lasere.

O evaporare la un moment dat

Soluția generală la aceste probleme a venit de la Daniel Kleppner și colegii de la Massachusetts Institute of Technology (MIT). Este similar cu mecanismul care răcește o ceașcă de ceai. Moleculele de apă din ceai se mișcă cu viteze diferite, iar cele mai rapide au suficientă energie pentru a se elibera și a pluti ca vapori de apă. Deoarece acești „evadați” transportă o cantitate de energie mai mare decât media, moleculele rămase ajung să fie mai reci. Odată ce energia din mișcarea lor este redistribuită prin ciocniri între molecule, sistemul ajunge la un nou echilibru la o temperatură mai scăzută (figura 2).

Metoda lui Kleppner este cunoscută sub numele de răcire evaporativă și necesită două elemente: un mijloc de îndepărtare selectivă a atomilor cei mai fierbinți din capcană și o rată de coliziuni între atomi care este suficient de mare pentru ca proba să se reechilibreze ulterior. Primul element a venit mână în mână cu soluția la problema reculului fotonului: atomii pot fi ținuți „în întuneric” prin transferul lor dintr-o capcană magneto-optică (MOT) într-o capcană pur magnetică, precum cea realizată prima dată de Phillips. în 1983. Energia mai mare a atomilor „fierbinți” necesită un câmp magnetic mai mare pentru a-i limita, iar acest câmp magnetic mare produce o schimbare Zeeman a nivelurilor de energie ale atomilor. Un semnal de radiofrecvență reglat corespunzător poate, astfel, să răstoarne atomii „fierbinți” din acest câmp înalt într-o stare fără capcană, fără a-i deranja pe cei mai reci. Atomii mai reci rămași în urmă sunt, de asemenea, restricționați la un volum mai mic, astfel încât pe măsură ce temperatura scade, densitatea crește, aducând sistemul mai aproape de BEC în două moduri.

Problema ciocnirii, totuși, a ieșit din mâinile experimentatorilor. Rata relevantă este descrisă de un singur parametru: așa-numita lungime de împrăștiere pentru o pereche de atomi care se ciocnesc în anumite stări. Dacă această lungime de împrăștiere este moderat de mare și pozitivă, evaporarea va avea loc rapid și condensul rezultat va fi stabil. Dacă lungimea de împrăștiere este prea mică, evaporarea va fi foarte lentă. Dacă este negativ, condensul va fi instabil.

Soluția evidentă este să alegeți un atom cu lungimea de împrăștiere potrivită, dar acest parametru se dovedește a fi extrem de dificil de calculat din primele principii. Trebuie să fie determinată empiric, iar la începutul anilor 1990 nimeni nu făcuse experimentele necesare. În consecință, grupurile care au început să urmărească BEC au ales diferite elemente din tabelul periodic, fiecare sperând că „ale lor” s-ar putea dovedi a fi „drept”. Wieman și noul său coleg Eric Cornell chiar a trecut de la cesiu la rubidiu, deoarece cei doi izotopi stabili ai rubidiului și-au dublat șansele.

„Asta nu va funcționa niciodată”

Deoarece un MOT poate fi transformat într-o capcană pur magnetică pur și simplu prin oprirea laserelor și prin trecerea mai multă curent prin bobinele magnetului, primii pași către BEC au fost o extensie simplă a experimentelor de răcire cu laser. Configurația „capcană cvadrupol” rezultată are doar o problemă majoră: câmpul din centrul capcanei este zero, iar la câmpul zero, atomii își pot schimba stările interne la una care nu mai este prinsă. Astuparea acestei „scurgeri” de atomi din centrul capcanei necesită găsirea unei modalități de a împiedica atomii prinși să își schimbe stările.

Timp de câțiva ani, acesta a fost un domeniu major de cercetare a răcirii cu laser. Pe lângă Cornell și Wieman, unul dintre principalii concurenți în cursa de intensificare a BEC a fost Wolfgang Ketterle de la MIT. Grupul său a dezvoltat o modalitate de a împinge atomii departe de regiunea cu câmp zero, folosind un laser detonat cu albastru, focalizat pe centrul capcanei ca „dop”. Cornell și Wieman, la rândul lor, au folosit o tehnică complet magnetică pe care au numit-o capcană cu potențial de orbita în timp (TOP).

Cornell a dezvoltat TOP într-un zbor înapoi de la o conferință la începutul anului 1994, motivat parțial de nevoia de a limita întreruperea aparatului lor. Deși el și Wieman nu aveau loc pentru un alt fascicul laser, ei puteau adăuga o bobină suplimentară mică în jurul unei axe perpendiculare pe bobinele cvadrupolare, iar asta ar schimba poziția câmpului zero. Atomii din capcană s-ar muta spre noul zero, desigur, dar nu rapid. Dacă au folosit două bobine mici pe axe diferite conduse de curenți oscilatori pentru a muta zeroul într-un cerc de câteva sute de ori pe secundă, ar putea fi suficient pentru a-l menține, în cuvintele lui Cornell, „oriunde unde nu sunt atomii”.

Au testat ideea în acea vară, folosind o bobină mică condusă de un amplificator audio ieftin. La început, câmpul adăugat a făcut ca bobinele înfășurate în jurul celulei lor de vapori de sticlă să zdrănnească alarmant, iar bobinele antrenate au făcut un scâncet pătrunzător, ascuțit, dar principiul era sănătos, așa că au construit o versiune mai robustă. Câteva luni mai târziu, la începutul anului 1995, Cornell a discutat despre scheme de capcane cu Ketterle și a plecat crezând că mufa optică a echipei MIT „nu va funcționa niciodată”. Practic, va fi un stick mare și vechi îndreptat acolo.” Cu toate acestea, el recunoaște că Ketterle poate să fi simțit același lucru despre TOP: „Probabil se gândește „Aceasta este cea mai stupidă idee pe care am auzit-o vreodată în viața mea”. Așa că am plecat amândoi foarte mulțumiți de acea conversație.”

După cum sa întâmplat, ambele tehnici au funcționat, de fapt. Cornell și Wieman au fost primii care au demonstrat acest lucru, efectuând o serie de experimente în care au strălucit un fascicul laser prin norul lor rece de atomi. În timpul acestor „instantanee”, atomii din nor ar absorbi fotonii de la laser, lăsând o umbră în fascicul. Adâncimea acestei umbre era o măsură a densității norului, în timp ce dimensiunea norului indica temperatura atomilor. Pe măsură ce evaporarea a progresat, instantaneele au arătat un nor sferic simetric de atomi care se micșorează și se răcește încet pe măsură ce atomii fierbinți erau îndepărtați progresiv.

Apoi, în iunie 1995, la o temperatură de aproximativ 170 de nanokelvin, s-a întâmplat ceva dramatic: o mică pată întunecată a apărut în centrul imaginilor lor, reprezentând atomi la o temperatură drastic mai scăzută și o densitate mai mare. Cornell spune că nu a durat mult pentru a afla ce se întâmplă: „Densitatea centrală pur și simplu crește. Ce se întâmplă acolo dacă nu condensarea Bose-Einstein?”

Pentru a-și confirma suspiciunile, el și Wieman și-au convertit unele dintre imaginile lor în umbră în diagramele tridimensionale acum iconice (vezi imaginea „Cel mai tare rezultat”) care arată atomii termici ca un piedestal larg și BEC ca un „pic” care apare în centrul. Forma vârfului – mai lată într-o direcție decât în ​​cealaltă – a codificat un indiciu. Deoarece capcana lor TOP era mai puternică în direcția verticală decât pe orizontală, condensul a fost strâns mai strâns în acea direcție, ceea ce înseamnă că s-a extins mai rapid în acea direcție după eliberare. Deși nu au prezis această schimbare de formă, au putut să o explice rapid, adăugându-și încrederea că au atins „Sfântul Graal” al BEC.

Cornell și Wieman și-au anunțat rezultatele (neobișnuit, pentru acele zile) într-o conferință de presă la începutul lunii iunie 1995. Lucrarea lor a fost publicată în Ştiinţă luna următoare. În septembrie, Ketterle și colegii au produs propriul set de diagrame 3D care arată o „pică” similară care a apărut pe măsură ce norul lor de atomi de sodiu a atins temperatura de tranziție. Cornell, Wieman și Ketterle au continuat să împărtășească 2001 Premiul Nobel pentru Fizică pentru realizarea BEC în vapori atomici diluaţi.

Fermionii își primesc campionul

În primele luni ale anului 1995, Cornell a recrutat un nou post-doctorat, Deborah „Debbie” Jin. Soțul ei, John Bohn, un fizician la NIST din Boulder, își amintește că Cornell a spus: „Mulți oameni vă vor spune că BEC are încă ani liberi, dar chiar cred că o vom face.” Avea dreptate: primul BEC s-a întâmplat între momentul în care Jin a acceptat să ia postul și când a început să lucreze.

Jin provenea dintr-o comunitate diferită de cercetare – teza ei era despre supraconductori exotici – dar a învățat rapid despre lasere și optică și a jucat un rol cheie în experimentele timpurii care cercetau proprietățile BEC. Ca vedetă în devenire, a avut numeroase oferte pentru un post permanent, dar a ales să rămână la JILA, o instituție hibridă care combină expertiza de la Universitatea din Colorado și NIST. Acolo, pentru a distinge munca ei de cea a lui Cornell și Wieman, ea a decis să urmeze cealaltă clasă de comportament la temperatură ultra-joasă: gazele Fermi degenerate.

Acolo unde bosonii sunt guvernați de reguli statistice care fac mai probabil ca doi dintre ei să se găsească în aceeași stare energetică, fermionilor le este absolut interzis să împartă stări. Aplicat electronilor, acesta este principiul de excludere Pauli care explică o mare parte din chimie: electronii dintr-un atom „umple” stările de energie disponibile, iar starea exactă a ultimilor electroni determină proprietățile chimice ale unui element dat. Atomii ferionici dintr-o capcană magnetică respectă o regulă similară: pe măsură ce gazul este răcit, cele mai joase stări se umplu. La un moment dat, totuși, toate stările cu energie scăzută sunt pline și norul nu se mai poate micșora. Ca și în cazul BEC, acesta este un fenomen pur cuantic, care nu are nimic de-a face cu interacțiunile dintre particule, deci ar trebui să fie observabil într-un gaz cu atomi ultrareci.

Jin a început la JILA în 1997 cu un singur student absolvent, Brian DeMarco, care fusese angajat de Cornell, dar a trecut să lucreze cu Jin la recomandarea lui Cornell. După cum își amintește DeMarco, Cornell i-a spus: „Dacă tu și Debbie puteți fi primii oameni care au făcut un DFG, va fi o mare problemă și există o șansă bună de a o face.”

Perechea a început cu un laborator gol, lipsit de mobilier. Bohn își amintește că stăteau pe podea în biroul pe care îl împărțea cu Jin, adunând electronice pentru viitoarele lor lasere. În decurs de un an, totuși, au avut un aparat de lucru pentru captarea magnetică și răcirea evaporativă a atomilor de potasiu fermionici.

Căutarea unui DFG ridică două provocări dincolo de cele cu care se confruntă cursa BEC. Prima dintre acestea este că, la temperaturi ultra-scăzute, ciocnirile necesare pentru etapa de reechilibrare a răcirii evaporative încetează să se mai producă deoarece interzicerea ca doi fermioni să fie în aceeași stare îi împiedică să se ciocnească. Pentru a rezolva acest lucru, Jin și DeMarco și-au plasat jumătate din atomi într-o stare internă diferită, oferind suficiente coliziuni între stări pentru a permite evaporarea. La sfârșitul procesului, ei ar putea elimina una dintre cele două stări și ar putea imaginea restul.

A doua problemă este că, în timp ce semnătura experimentală a BEC este un vârf uriaș de densitate în mijlocul norului atomic, degenerarea Fermi este mai subtilă. Fenomenul cheie al atomilor care refuză să se aglomereze împreună se manifestă în mod nedramatic sub forma norului care încetează să se mai micșoreze odată ce temperatura de tranziție este atinsă. Pentru a descoperi cum să distingem gazul degenerat de norul termic, a fost nevoie de modelare atentă și de un sistem de imagistică care ar putea măsura în mod fiabil schimbări minuscule ale formei distribuției.

Un gaz Fermi de atomi

În ciuda acestor provocări, la doar 18 luni după ce au început cu o cameră goală, Jin și DeMarco au publicat prima observație a unui gaz Fermi degenerat. Câțiva ani mai târziu, echipele conduse de Ketterle, Randy Hulet la Universitatea Rice, Christophe Salomon la ENS din Paris, și John Thomas la Universitatea Duke, a urmat.

Între timp, Jin, a continuat să folosească lasere și câmpuri magnetice pentru a converti atomii degenerați în molecule, deschizând noi frontiere în chimia ultrarece. Această lucrare a atras numeroase premii, inclusiv a Fundația MacArthur „grant de geniu”, Premiul I I Rabi de la Societatea Americană de Fizică (APS) și Medalia Isaac Newton a Institutului de Fizică. Jin ar fi fost și el un shoo-in pentru încă un premiu Nobel pentru fizica atomilor ultrareci, dar din păcate, ea a murit de cancer în 2016, iar premiul nu este acordat postum.

Dincolo de premii, totuși, moștenirea lui Jin este substanțială. Subdomeniul pe care l-a început a devenit una dintre cele mai importante domenii ale fizicii atomice, iar foștii ei studenți și colegi continuă să conducă studiul fermionilor ultrareci. În semn de recunoaștere a angajamentului său față de mentorat, APS a creat un premiu anual Deborah Jin pentru cercetarea remarcabilă a tezei de doctorat în fizică atomică, moleculară sau optică.

O istorie de descoperire continuă

Această serie acoperă puțin mai mult de jumătate de secol. În acea perioadă, ideea de a folosi lasere pentru a manipula atomii a trecut de la o curiozitate inactivă în mintea unui singur fizician de la Bell Labs la o tehnică de bază pentru o vastă zonă de fizică de ultimă oră. Ionii răciți cu laser sunt acum una dintre cele mai importante platforme pentru dezvoltarea științei informației cuantice. Atomii neutri răciți cu laser oferă baza pentru cele mai bune ceasuri atomice din lume. Și sistemele degenerate cuantice observate pentru prima dată de Cornell, Wieman, Ketterle și Jin au dat naștere unui sub-câmp imens care conectează fizica atomică de fizica și chimia materiei condensate. Atomii răciți cu laser continuă să fie vitali pentru cercetarea în fizică, iar noua istorie este scrisă zilnic în laboratoarele din întreaga lume.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/coldest-how-a-letter-to-einstein-and-advances-in-laser-cooling-technology-led-physicists-to-new-quantum-states-of-matter/