Mai rece: cum fizicienii depășesc limita teoretică pentru răcirea cu laser și au pus bazele unei revoluții cuantice - Physics World

La sfârșitul anilor 1960, o mică comunitate de cercetători a început să folosească forțele luminii pentru a împinge obiecte mici. În următorul deceniu, domeniul sa extins pentru a include răcirea cu laser, o tehnică puternică care exploatează Schimbare Doppler pentru a produce o forță care nu poate decât să încetinească obiectele și să nu le accelereze niciodată. Pe măsură ce au trecut anii, aceste noi experimente de răcire cu laser s-au dezvoltat de-a lungul celor două căi paralele – ioni și atomi – explorate în partea 1 a acestei serii: „Rece: cum au învățat fizicienii să manipuleze și să miște particulele cu răcire cu laser”.

În multe privințe, ionii au avut un avantaj timpuriu. Datorită sarcinii lor electrice, ei experimentează forțe electromagnetice, care sunt suficient de puternice pentru a le permite să fie prinși în capcane electromagnetice la temperaturi ridicate și răcite de lasere la lungimi de undă ultraviolete. Până în 1981, capcanele de ioni au rafinat această tehnică până la punctul în care puteau capta și detecta ioni unici și să efectueze spectroscopie asupra lor cu o precizie fără precedent.

Atomii, în schimb, trebuie să fie încetiniți înainte de a putea fi prinși de forțele mai slabe exercitate de lumină și câmpurile magnetice. Totuși, până în 1985 Bill Phillips și colegii de la Biroul Național de Standarde al SUA în Gaithersburg, Maryland, folosise lumina pentru a încetini aproape până la oprire un fascicul de atomi de sodiu, apoi i-a închis într-o capcană magnetică. Dincolo de asta, principala provocare pentru cei care vor fi îmblânziți de atomi părea să implice construirea pe această muncă pentru a face captarea atomilor neutri mai eficientă și împingerea limitelor procesului de răcire în sine.

Ambele proiecte ar avea succes peste așteptările oricui. Și așa cum am văzut în partea 1, rădăcinile acestui succes se întorc la Arthur Ashkin at Bell Labs.

Idee bună, execuție necorespunzătoare

Când l-am întâlnit ultima oară pe Ashkin, era în 1970 și tocmai dezvoltase tehnica „pensei optice” care avea să-i câștige un premiu Nobel aproape 50 de ani mai târziu. Până la sfârșitul anilor 1970, el lucra cu colegii săi de la Bell Labs la experimente care implicau un fascicul atomic. „Rick Freeman Aveam o mașină cu fascicul atomic și am avut câteva experimente care ar fi interesante de făcut cu un fascicul atomic, dar nu eram prea entuziasmat de construirea unei mașini cu fascicul atomic”, își amintește John Bjorkholm, colegul lui Ashkin de atunci.

Prin suprapunerea unui fascicul laser cu fasciculul de atomi, Ashkin și Bjorkholm au arătat că este posibilă focalizarea sau defocalizarea atomilor prin ajustarea frecvenței luminii. Cu laserul reglat la roșu – la o frecvență puțin mai mică decât „dor” să absoarbă atomii – interacțiunea dintre atomi și lumină ar reduce energia internă a atomilor („deplasarea luminii”), atragând atomii în fasciculul laser. Cu laserul reglat la albastru, atomii au fost împinși afară.

Ashkin a avut mai multe idei pentru a transforma acest fenomen într-o metodă „tot-optică” de captare a atomilor (adică fără câmpurile magnetice folosite de grupul lui Phillips). Din păcate, Ashkin și Bjorkholm s-au străduit să o implementeze, deoarece fasciculul atomic al lui Freeman a fost construit cu ferestre din plexiglas care nu puteau suporta presiuni suficient de scăzute. Atomii și moleculele care s-au scurs din exterior nu au fost afectați de laserele de răcire și, ca urmare, atunci când s-au ciocnit cu atomii din fascicul, au scos atomii țintă din capcană. După câțiva ani de rezultate dezamăgitoare, conducerea Laboratoarelor Bell a acutizat experimentele și l-a împins pe Ashkin să urmărească alte lucruri.

Înotătorii într-un fluid vâscos

În această perioadă, un tânăr cercetător cu o reputație (autodescrisă) de „un tip care ar putea face experimente dificile” s-a mutat într-un birou lângă Ashkin's, în unitatea Holmdel a Bell Labs. Numele lui a fost Steve Chu, și a devenit interesat de ideile lui Ashkin. Împreună, au construit un sistem de vid ultraînalt potrivit pentru răcirea și captarea atomilor, plus un sistem pentru încetinirea atomilor de sodiu prin măturarea rapidă a frecvenței laser pentru a compensa schimbarea deplasării Doppler. Ultima tehnică este cunoscută sub denumirea de „răcire prin ciripit”; printr-o fericită coincidență, oamenii de știință care au dezvoltat una dintre tehnologiile sale cheie au fost și ei la Holmdel.

În acest moment, Chu a sugerat că pre-răci atomii prin iluminarea lor cu trei perechi perpendiculare de fascicule laser contrapropagate, toate reglate la o frecvență chiar sub frecvența de tranziție a atomilor, așa cum sa discutat în partea 1. Această configurație oferă o forță de răcire. în toate cele trei dimensiuni simultan: un atom care se deplasează în sus vede fasciculul laser în jos Doppler deplasat în sus, absoarbe fotoni și încetinește; un atom care se deplasează spre stânga vede fotonii din fasciculul care merge spre dreapta deplasați în sus și așa mai departe. Indiferent în ce direcție se mișcă atomii, ei simt o forță care se opune mișcării lor. Asemănarea cu situația dificilă a unui înotător într-un fluid vâscos l-a determinat pe Chu să-l numească „melasă optică” (figura 1).

Echipa Bell Labs a demonstrat melasă optică în 1985, colectând mii de atomi dintr-un fascicul răcit cu ciripit. După cum se potrivește numelui, melasa optică era foarte „lipicioasă”, ținând atomii în fasciculele suprapuse timp de aproximativ o zecime de secundă (practic o eternitate în fizica atomică) înainte ca aceștia să rătăcească. În timp ce se află în regiunea melasei, atomii absorb și reemit în mod constant lumină de la laserele de răcire, așa că apar ca un nor strălucitor difuz. Cantitatea totală de lumină a oferit o măsură ușoară a numărului de atomi.

Ashkin, Chu și colaboratorii lor au putut, de asemenea, să estimeze temperatura atomilor. Ei au făcut acest lucru măsurând câți atomi erau în melasă, stingând lumina pentru o perioadă scurtă de timp, apoi pornind-o din nou și remăsurând numărul. În timpul intervalului de întuneric, norul atomic s-ar extinde, iar unii atomi ar scăpa din regiunea fasciculelor de melasă. Această rată de evadare a permis echipei să calculeze temperatura atomilor: aproximativ 240 microkelvin - chiar în conformitate cu minimul așteptat pentru atomii de sodiu răciți cu laser.

Transformând melasa într-o capcană

În ciuda caracterului lipicios, melasa optică nu este o capcană. Deși încetinește atomii, odată ce atomii se deplasează spre marginea fasciculelor laser, ei pot scăpa. O capcană, în schimb, furnizează o forță care depinde de poziție, împingând atomii înapoi într-o regiune centrală.

Cel mai simplu mod de a crea o capcană este cu un fascicul laser bine focalizat, asemănător pensetelor optice dezvoltate de Ashkin pentru prinderea obiectelor microscopice. În timp ce volumul focalizării laser este o mică parte din volumul de melasă, Ashkin, Bjorkholm și (independent) Chu și-au dat seama că un număr semnificativ de atomi s-ar putea acumula totuși într-o astfel de capcană prin difuzie aleatorie în melasă. Când au adăugat un fascicul laser separat, captiv, la melasa lor, rezultatele au fost promițătoare: un mic punct luminos a apărut în norul difuz de melasă, reprezentând câteva sute de atomi prinși.

Depășirea acestui lucru a reprezentat însă provocări tehnice. Problema este că schimbarea nivelurilor de energie atomică care face posibilă captarea optică cu un singur fascicul împiedică procesul de răcire: atunci când laserul de captare scade energia stării fundamentale a atomului, schimbă detonarea efectivă a frecvenței laserului de răcire. Utilizarea unui al doilea laser și alternarea între răcire și captare îmbunătățește numărul de atomi care pot fi prinși, dar cu prețul unei complexități suplimentare. Pentru a face progrese suplimentare, fizicienii ar avea nevoie fie de atomi mai reci, fie de o capcană mai bună.

Legătura franceză

Ambele erau la orizont. Claude Cohen-Tannoudji și grupul său de la École Normale Supérieure (ENS) din Paris s-au ocupat în primul rând de răcirea cu laser din partea teoretică. Jean Dalibard, apoi un doctorat nou bătut în grup, își amintește că studia analizele teoretice de Ashkin și Jim Gordon („o lucrare fantastică”) și de duo-ul sovietic format din Vladilen Letokhov și Vladimir Minogin, care (împreună cu Boris D Pavlik) a obținut temperatura minimă atinsă cu răcirea cu laser încă din 1977.

După cum am văzut în partea 1, această temperatură minimă este cunoscută sub denumirea de limită de răcire Doppler și provine din „loviturile” aleatorii care apar atunci când atomii reemit fotoni după absorbția luminii de la unul dintre fasciculele de răcire. Curios despre cât de fermă era această „limită” cu adevărat, Dalibard a căutat modalități de a menține atomii „în întuneric” cât mai mult posibil. Pentru a face acest lucru, el a exploatat o proprietate a atomilor reali care nu este surprinsă de teoria răcirii Doppler standard: stările atomice reale nu sunt niveluri de energie unice, ci colecții de subniveluri cu aceeași energie, dar momente unghiulare diferite (figura 2).

Aceste subniveluri diferite, sau stări de impuls, schimbă energia în prezența unui câmp magnetic (efectul Zeeman). Pe măsură ce câmpul devine mai puternic, unele stări cresc în energie, în timp ce altele scad. Aceste roluri sunt apoi inversate atunci când direcția câmpului se inversează. Un alt factor de complicare este că polarizarea luminii laser determină care subniveluri vor absorbi fotonii. În timp ce o polarizare mută atomii între stări într-un mod care crește momentul unghiular, alta îl scade.

În analiza sa teoretică, Dalibard a combinat aceste subniveluri cu un câmp magnetic care este zero la un moment dat și crește pe măsură ce atomii se deplasează în exterior. Făcând acest lucru, el a creat o situație în care deacordarea efectivă a frecvenței laser depindea de poziția atomilor. (Phillips și colegii au folosit o configurație similară pentru capcana lor magnetică, dar la un câmp mult mai înalt.) Prin urmare, atomii puteau absorbi dintr-un anumit laser numai în poziția specifică în care combinația de detonare, schimbare Doppler și schimbare Zeeman a fost corectă ( figura 3).

Dalibard a sperat că limitarea capacității atomilor de a absorbi lumina în acest fel ar putea reduce temperatura minimă a acestora. După ce a calculat că nu va fi, a aruncat ideea. „Am văzut că este o capcană, dar nu căutam o capcană, căutam o răcire sub-Doppler”, explică el.

Poate că acolo s-ar fi sfârșit dacă nu ar fi fost Dave Pritchard, un fizician la Institutul de Tehnologie din Massachusetts care a vizitat grupul din Paris în 1986. În timpul vizitei, Pritchard a ținut o discuție despre idei pentru producerea capcanelor de volum mai mare și a încheiat spunând că ar fi binevenit alte sugestii – mai bune.

„M-am dus la Dave și i-am spus „Ei bine, am o idee și nu sunt prea sigur că este mai bună, dar este diferită de a ta“”, își amintește Dalibard. Pritchard a dus ideea lui Dalibard înapoi în SUA, iar în 1987 el și Chu au construit prima capcană magneto-optică (MOT) pe baza analizei lui Dalibard. Lui Dalibard i s-a oferit coautorul lucrării rezultate, dar s-a bucurat pur și simplu de a fi recunoscut în mulțumiri.

Este greu de exagerat cât de revoluționar a fost ITV-ul pentru dezvoltarea răcirii cu laser. Este un dispozitiv relativ simplu, care necesită doar o singură frecvență laser și un câmp magnetic relativ slab pentru a produce capcane puternice. Totuși, cel mai bun lucru este capacitatea sa. Prima capcană optică a lui Chu și Ashkin a ținut sute de atomi, prima capcană magnetică a lui Phillips câteva mii, dar prima capcană magneto-optică a ținut zece milioane de atomi. Odată cu introducerea laserelor cu diode ieftine de către Carl Wieman la Universitatea din Colorado (despre care mai multe în partea 3 a acestei serii), apariția MOT a declanșat o explozie rapidă a numărului de grupuri care studiază răcirea cu laser la nivel mondial. Ritmul cercetărilor era pe cale să se accelereze.

Legea lui Murphy ia concediu

În timp ce Pritchard și Chu construiau primul ITV, Phillips și colegii săi din Gaithersburg se confruntau cu o problemă extrem de neobișnuită cu melasa lor optică. Contrar oricărei așteptări ale fizicii experimentale, melasa a funcționat prea bine. De fapt, ar putea răci atomii chiar și cu unele dintre fasciculele sale parțial blocate.

Această descoperire a venit în parte pentru că răcirea cu laser trebuia să fie proiectul paralel al lui Phillips, așa că laboratorul său a fost amenajat într-o cameră de pregătire conectată la un atelier de mașini. Pentru a preveni acumularea prafului și grăsimii din magazin pe sistemul de aspirare al laboratorului, membrii grupului ar acoperi ferestrele sistemului cu plastic sau hârtie de filtru noaptea. „Ocazional veți obține această melasă cu aspect cu adevărat distorsionat”, își amintește Paul Lett, care s-a alăturat grupului în 1986, „și atunci ți-ai da seama că, oh, nu am scos acea bucată de hârtie de filtru. A fost remarcabil că a funcționat deloc.”

Această persistență surprinzătoare l-a determinat pe Lett să facă eforturi pentru un studiu mai sistematic, care să includă un nou set de măsurători de temperatură. Metoda „eliberare și recapturare” dezvoltată de grupul Bell Labs a avut incertitudini relativ mari, așa că grupul lui Phillips a încercat o nouă metodă care presupunea detectarea luminii emise pe măsură ce atomii traversau un fascicul de sondă plasat lângă melasă. Când melasa era oprită, atomii zburau. Timpul necesar pentru a ajunge la sonda ar oferi o măsură directă a vitezei și, prin urmare, a temperaturii lor.

Ca toate experimentele de răcire cu laser, laboratorul lui Phillips a împachetat o mulțime de lentile și oglinzi într-un spațiu mic, iar cel mai convenabil loc pentru a pune sonda s-a dovedit a fi ușor deasupra regiunii melasei. Acest lucru ar fi trebuit să funcționeze bine pentru atomii care călătoresc la viteza lor limită Doppler, dar când Lett a încercat experimentul, niciun atom nu a ajuns la sondă. În cele din urmă, el și colegii săi au schimbat poziția sondei sub melasă, moment în care au văzut un semnal frumos. A existat o singură problemă: limita de răcire Doppler a fost de 240 microkelvin, dar această măsurătoare „timp de zbor” a arătat o temperatură de 40 microkelvin.

Acest rezultat pare să încalce legea lui Murphy, dictonul că „orice poate merge prost, va”, așa că nu au fost dispuși să accepte imediat. Au re-măsurat temperatura folosind mai multe tehnici diferite, inclusiv o eliberare și recaptură îmbunătățită, dar au continuat să obțină același rezultat: atomii au fost mult mai reci decât se spunea că era posibil.

La începutul anului 1988, Phillips și compania au contactat alte grupuri din comunitatea unită a răcitoarelor cu laser, cerându-le să verifice temperaturile în propriile laboratoare. Chu și Wieman au confirmat rapid rezultatul surprinzător: melasa optică nu numai că a funcționat pentru a răci atomii, ci a funcționat mai bine decât spunea teoria.

Urcând un deal

Grupul de la Paris nu avea încă un program experimental, dar Dalibard și Cohen-Tannoudji au atacat teoretic problema prin același factor din lumea reală folosit de Dalibard pentru a dezvolta MOT: mai multe stări atomice interne. Starea fundamentală a sodiului are cinci subniveluri cu aceeași energie, iar distribuția atomilor între acele stări depinde de intensitatea și polarizarea luminii. Acest proces de distribuție, numit „pompare optică”, a fost esențial pentru cercetarea spectroscopică care a avut loc la ENS din Paris sub conducerea lui Cohen-Tannoudji, astfel încât grupul său a fost deosebit de potrivit pentru a explora modul în care aceste stări suplimentare ar putea îmbunătăți răcirea cu laser.

Caracteristica cheie se dovedește a fi polarizarea luminii laser, care în fizica clasică corespunde axei câmpului electric oscilant al luminii. Combinația de șase fascicule de contra-propagare produce o distribuție complicată a polarizărilor, deoarece fasciculele se combină în moduri diferite în locuri diferite în interiorul melasei optice. Atomii sunt pompați optic în mod constant în diferite configurații, extinzând procesul de răcire și permițând temperaturi mai scăzute.

Până în vara lui 1988, Dalibard și Cohen-Tannoudji au conceput un model elegant pentru a explica răcirea sub-Doppler. (Chu a ajuns independent la un rezultat similar, despre care își amintește că a derivat într-un tren între două conferințe din Europa.) Ei au considerat un atom simplificat cu doar două subniveluri de stare fundamentală, etichetate în mod tradițional –½ și +½, iluminat de două fascicule laser care se propagă în direcții opuse cu polarizări liniare opuse. Acest lucru creează un model care alternează între două stări de polarizare, etichetate σ^- și σ⁺.

Un atom într-o regiune a lui σ^- polarizarea va fi pompată optic în starea –½, care experimentează o schimbare mare a luminii care își scade energia internă. Pe măsură ce atomul se mișcă spre σ⁺ regiunea de polarizare, deplasarea luminii scade, iar atomul trebuie să încetinească pentru a compensa, pierzând energia cinetică pentru a compensa creșterea energiei interne, ca o minge care se rostogolește pe un deal. Când ajunge la σ⁺ ușoară, pomparea optică va face ca acesta să treacă la starea +½, care are o schimbare mare a luminii. Atomul nu primește înapoi energia pe care a pierdut-o urcând „dealul” din σ^- regiune, totuși, deci se mișcă mai lent pe măsură ce procesul începe din nou: deplasarea luminii scade pe măsură ce se deplasează către următorul σ^- regiune, deci pierde energie, apoi pompează optic la –½ și așa mai departe.

Acest proces de pierdere a energiei prin urcarea constantă a „dealurilor” a oferit un nume viu: Dalibard și Cohen-Tannoudji l-au numit răcirea lui Sisif, după regele din mitul grec care a fost condamnat să petreacă veșnicia împingând un bolovan pe un deal doar pentru ca stânca să alunece. îndepărtați și reveniți în partea de jos (figura 4). Atomii din melasă optică se găsesc într-o situație similară, urcând mereu dealuri și pierzând energie doar pentru ca pomparea optică să îi readuce la fund și îi obligă să o ia de la capăt.

Recompensele lui Sisif

Teoria din spatele răcirii lui Sisif face previziuni concrete despre temperaturile minime și despre modul în care acestea depind de detonarea laserului și câmpul magnetic. Aceste predicții au fost rapid confirmate în laboratoarele din întreaga lume. În toamna anului 1989 Jurnalul Societății Optice din America B a publicat un număr special despre răcirea cu laser conținând rezultate experimentale de la grupul lui Phillips de la Gaithersburg, teoria Sisyphus de la Paris și o lucrare combinată experimentală și teoretică din grupul lui Chu, care până atunci se mutase de la Bell Labs la Universitatea Stanford din California. Pentru cea mai mare parte a următorului deceniu, acest număr special a fost considerat sursa definitivă pentru studenții care căutau să înțeleagă răcirea cu laser, iar Cohen-Tannoudji și Chu au continuat să împărtășească 1997 Premiul Nobel pentru Fizică cu Phillips.

Dus la limita sa, efectul Sisif poate răci atomii până la punctul în care nu mai au suficientă energie pentru a urca nici măcar un singur „deal” și sunt în schimb limitati într-o regiune minusculă cu o singură polarizare. Această izolare este la fel de strânsă ca și pentru ionii prinși, făcând cele două ramuri ale răcirii laser frumos simetrice. Până la începutul anilor 1990, ionii prinși și atomii neutri ar putea fi ambii răciți într-un regim în care natura lor cuantică devine evidentă: un singur ion într-o capcană sau un atom într-o „fântână” creată în răcirea lui Sisif, poate exista doar într-o anumită energie discretă. state. Aceste stări discrete au fost în curând măsurate pentru ambele sisteme; astăzi, ele sunt o parte esențială a calculului cuantic cu atomi și ioni.

O altă cale de cercetare interesantă a vizat fântânile în sine. Acestea se formează atunci când fasciculele de lumină interferează și apar în mod natural în rețele mari, cu o distanță de jumătate din lungimea de undă a laserului. Natura periodică a acestor așa-numite rețele optice imită structura microscopică a materiei solide, atomii jucând rolul electronilor într-o rețea cristalină. Această similitudine face din atomii prinși o platformă utilă pentru explorarea fenomenelor fizice ale materiei condensate, cum ar fi supraconductivitatea.

Pentru a explora cu adevărat supraconductivitatea cu atomi reci, totuși, rețeaua trebuie să fie încărcată cu atomi la o densitate mai mare și o temperatură chiar mai mică decât se poate obține cu răcirea Sisyphus. După cum vom vedea în partea 3, ajungerea acolo ar necesita încă un nou set de instrumente și tehnici și ar deschide posibilitatea de a crea nu doar analogi ale sistemelor cunoscute, ci și stări complet noi ale materiei.

• Partea 3 a istoriei răcirii cu laser de Chad Orzel va fi publicat în curând pe Lumea fizicii

• 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. Automobile/VE-uri, carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• ChartPrime. Crește-ți jocul de tranzacționare cu ChartPrime. Accesați Aici.
• BlockOffsets. Modernizarea proprietății de compensare a mediului. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/colder-how-physicists-beat-the-theoretical-limit-for-laser-cooling-and-laid-the-foundations-for-a-quantum-revolution/