Холоднее: как физики преодолели теоретический предел лазерного охлаждения и заложили основы квантовой революции

В конце 1960-х годов небольшое сообщество исследователей начало использовать силы света для перемещения небольших объектов. В течение следующего десятилетия эта область расширилась и включила в себя лазерное охлаждение — мощный метод, использующий Доплеровский сдвиг создавать силу, которая может только замедлять объекты, но никогда не ускорять их. Шли годы, эти новые эксперименты по лазерному охлаждению развивались по двум параллельным направлениям – ионам и атомам – исследованным в часть 1 из этой серии: «Холод: как физики научились манипулировать и перемещать частицы с помощью лазерного охлаждения».

Во многих отношениях ионы имели преимущество на раннем этапе. Из-за своего электрического заряда они испытывают воздействие электромагнитных сил, которые достаточно сильны, чтобы их можно было поймать в электромагнитные ловушки при высоких температурах и охладить лазерами с ультрафиолетовыми волнами. К 1981 году ловушки ионов усовершенствовали эту технику до такой степени, что они могли улавливать и обнаруживать одиночные ионы и выполнять их спектроскопию с беспрецедентной точностью.

Атомы, напротив, необходимо замедлить, прежде чем они смогут быть захвачены более слабыми силами, создаваемыми светом и магнитными полями. Тем не менее, к 1985 г. Билл Филлипс и коллеги по Национальное бюро стандартов США в Гейтерсбурге, штат Мэриленд, использовали свет, чтобы замедлить пучок атомов натрия почти до полной остановки, а затем заключить их в магнитную ловушку. Помимо этого, главная задача для потенциальных укротителей атомов, по-видимому, заключалась в том, чтобы сделать захват нейтральных атомов более эффективным и расширить границы самого процесса охлаждения.

Оба проекта превзойдут все ожидания. И, как мы видели в части 1, корни этого успеха уходят в Артур Ашкин at Bell Labs.

Хорошая идея, неудовлетворительное исполнение

Когда мы в последний раз встречались с Эшкиным, это был 1970 год, и он только что разработал технику «оптического пинцета», которая почти 50 лет спустя принесла ему Нобелевскую премию. К концу 1970-х годов он работал со своими коллегами из Bell Labs над экспериментами с атомным пучком. «Рик Фриман у меня была машина на атомном пучке, и у меня было несколько экспериментов, которые было бы интересно провести с атомным лучом, но я не был в восторге от создания машины на атомном пучке», — вспоминает тогдашний коллега Эшкина Джон Бьоркхольм.

Перекрывая лазерный луч пучком атомов, Эшкин и Бьёркхольм показали, что можно фокусировать или дефокусировать атомы, регулируя частоту света. Когда лазер настроен на красный цвет – на немного более низкую частоту, чем атомы «хотят» поглощать – взаимодействие между атомами и светом снизит внутреннюю энергию атомов («сдвиг света»), вовлекая атомы в лазерный луч. Когда лазер был настроен на синий цвет, атомы выталкивались наружу.

У Эшкина было несколько идей по превращению этого явления в «полностью оптический» метод захвата атомов (то есть без магнитных полей, используемых группой Филлипса). К сожалению, Эшкин и Бьоркхольм изо всех сил пытались реализовать это, потому что атомный луч Фримена был построен с окнами из плексигласа, которые не могли выдерживать достаточно низкое давление. Атомы и молекулы, проникшие извне, не подверглись воздействию охлаждающих лазеров и в результате при столкновении с атомами пучка выбили целевые атомы из ловушки. После нескольких лет неутешительных результатов руководство Bell Labs разочаровалось в экспериментах и ​​подтолкнуло Эшкина заняться другими делами.

Пловцы в вязкой жидкости

Примерно в это же время молодой исследователь с репутацией (как он сам себя называет) «человека, способного проводить сложные эксперименты» переехал в офис недалеко от Эшкина на базе лаборатории Bell Labs в Холмделе. Его звали Стив Чуи он заинтересовался идеями Ашкина. Вместе они создали систему сверхвысокого вакуума, подходящую для охлаждения и захвата атомов, а также систему для замедления атомов натрия за счет быстрого изменения частоты лазера, чтобы компенсировать изменение доплеровского сдвига. Последний метод известен как «чип-охлаждение»; по счастливому стечению обстоятельств ученые, разработавшие одну из ключевых технологий, также находились в Холмделе.

В этот момент Чу предложил предварительно охладить атомы, освещая их тремя перпендикулярными парами встречных лазерных лучей, настроенных на частоту чуть ниже частоты перехода атомов, как обсуждалось в части 1. Эта конфигурация обеспечивает охлаждающую силу. во всех трех измерениях одновременно: атом, движущийся вверх, видит, что идущий вниз лазерный луч допплера смещается вверх, поглощает фотоны и замедляется; атом, движущийся влево, видит, что фотоны в луче, идущем вправо, сдвинуты вверх, и так далее. Независимо от того, в какую сторону движутся атомы, они чувствуют силу, противодействующую их движению. Сходство с тяжелым положением пловца в вязкой жидкости заставило Чу назвать это «оптической патокой» (рис. 1).

Команда Bell Labs продемонстрировала оптическую патоку в 1985 году, собрав тысячи атомов из чирп-охлажденного луча. Как и следует из названия, оптическая патока была очень «липкой»: она удерживала атомы в перекрывающихся лучах примерно десятую долю секунды (практически вечность в атомной физике), прежде чем они вышли наружу. Находясь в области патоки, атомы постоянно поглощают и переизлучают свет охлаждающих лазеров, поэтому они выглядят как диффузное светящееся облако. Общее количество света позволяло легко измерить количество атомов.

Эшкин, Чу и их коллеги также смогли оценить температуру атомов. Они сделали это, измерив количество атомов в патоке, выключив на короткое время свет, затем снова включив его и повторно измерив число. В течение темного периода облако атомов расширилось бы, и некоторые атомы покинули бы область лучей патоки. Такая скорость ускользания позволила команде вычислить температуру атомов: около 240 микрокельвинов – что соответствует ожидаемому минимуму для атомов натрия, охлажденных лазером.

Превращение патоки в ловушку

Несмотря на свою липкость, оптическая патока не является ловушкой. Хотя это замедляет атомы, как только атомы дрейфуют к краю лазерных лучей, они могут уйти. Ловушка, напротив, создает силу, которая зависит от положения и толкает атомы обратно в центральную область.

Самый простой способ создать ловушку — использовать сильно сфокусированный лазерный луч, аналогичный оптическим пинцетам, разработанным Эшкином для захвата микроскопических объектов. Хотя объем лазерного фокуса составляет лишь небольшую часть объема патоки, Эшкин, Бьоркхольм и (независимо) Чу поняли, что значительное количество атомов, тем не менее, может накапливаться в такой ловушке за счет случайной диффузии в патоке. Когда они добавили к патоке отдельный захватывающий лазерный луч, результаты оказались многообещающими: в диффузном облаке патоки появилось небольшое яркое пятно, представляющее несколько сотен захваченных атомов.

Однако выход за рамки этого представлял технические проблемы. Проблема в том, что сдвиг энергетических уровней атомов, который делает возможным однолучевой оптический захват, затрудняет процесс охлаждения: когда захватывающий лазер снижает энергию основного состояния атома, он изменяет эффективную частотную расстройку охлаждающего лазера. Использование второго лазера и чередование охлаждения и захвата увеличивает количество атомов, которые можно захватить, но за счет дополнительной сложности. Чтобы добиться дальнейшего прогресса, физикам потребуются либо более холодные атомы, либо лучшая ловушка.

Французская связь

Оба были на горизонте. Клод Коэн-Таннуджи и его группа в Высшей нормальной школе (ENS) в Париже в первую очередь занимались лазерным охлаждением с теоретической стороны. Жан Далибар, тогда только что получивший докторскую степень в группе, вспоминает, как изучал теоретический анализ Эшкина и Джим Гордон («фантастическая статья») и советского дуэта В.ладилен Летохов и Владимир Миногин, которые (совместно с Борисом Павликом) еще в 1977 году вычислил минимальную температуру, достижимую при лазерном охлаждении.

Как мы видели в первой части, эта минимальная температура известна как предел доплеровского охлаждения, и она возникает из-за случайных «толчков», которые происходят, когда атомы повторно излучают фотоны после поглощения света от одного из охлаждающих лучей. Заинтересовавшись тем, насколько строгим на самом деле был этот «предел», Далибард искал способы сохранить атомы «в темноте», насколько это возможно. Для этого он использовал свойство реальных атомов, которое не фиксируется стандартной теорией доплеровского охлаждения: реальные атомные состояния представляют собой не отдельные энергетические уровни, а совокупность подуровней с одинаковой энергией, но разными угловыми моментами (рисунок 1).

Эти различные подуровни, или состояния импульса, меняют энергию в присутствии магнитного поля (эффект Зеемана). По мере того, как поле становится сильнее, энергия некоторых состояний увеличивается, а других уменьшается. Эти роли затем меняются местами, когда направление поля меняется на противоположное. Еще одним усложняющим фактором является то, что поляризация лазерного света определяет, какие подуровни будут поглощать фотоны. В то время как одна поляризация перемещает атомы между состояниями таким образом, что увеличивает угловой момент, другая уменьшает его.

В своем теоретическом анализе Далибар объединил эти подуровни с магнитным полем, которое в какой-то момент равно нулю и увеличивается по мере движения атомов наружу. При этом он создал ситуацию, когда эффективная отстройка частоты лазера зависела от положения атомов. (Филлипс и его коллеги использовали аналогичную конфигурацию для своей магнитной ловушки, но в гораздо более сильном поле.) Таким образом, атомы могли поглощать энергию определенного лазера только в том конкретном положении, где комбинация расстройки, доплеровского сдвига и зеемановского сдвига была правильной ( рисунок 3).

Далибард надеялся, что ограничение способности атомов поглощать свет таким образом может снизить их минимальную температуру. Подсчитав, что этого не произойдет, он отложил эту идею. «Я видел, что это ловушка, но я не искал ловушку, я искал субдоплеровское охлаждение», — объясняет он.

На этом бы все и закончилось, если бы не Дэйв Притчард, физик из Массачусетского технологического института, посетивший парижскую группу в 1986 году. Во время визита Притчард рассказал об идеях создания ловушек большего объема и в заключение сказал, что будет приветствовать другие, более лучшие, предложения.

«Я пошел к Дэйву и сказал: «Ну, у меня есть идея, и я не уверен, что она лучше, но она отличается от вашей», — вспоминает Далибард. Причард привез идею Далибарда обратно в США, и в 1987 году он и Чу построили первую магнитооптическую ловушку (МОЛ) на основе анализа Далибарда. Далибарду предложили соавторство получившейся статьи, но он был рад просто получить признание в благодарностях.

Трудно переоценить, насколько революционным было ТО для развития лазерного охлаждения. Это относительно простое устройство, требующее только одну частоту лазера и относительно слабое магнитное поле для создания сильных ловушек. Но самое приятное — это его вместительность. Первая полностью оптическая ловушка Чу и Эшкина содержала сотни атомов, первая магнитная ловушка Филлипса — несколько тысяч, а первая магнитооптическая ловушка — десять миллионов атомов. Вместе с появлением Карлом Виманом в Университете Колорадо дешевых диодных лазеров (о которых подробнее в третьей части этой серии), появление МОТ вызвало быстрый взрыв числа групп, изучающих лазерное охлаждение во всем мире. Темп исследований должен был ускориться.

Закон Мерфи уходит в отпуск

Пока Причард и Чу создавали первый МОТ, Филлипс и его коллеги из Гейтерсбурга столкнулись с чрезвычайно необычной проблемой, связанной с оптической патокой. Вопреки всем ожиданиям экспериментальной физики, патока подействовала слишком хорошо. Фактически, он мог охлаждать атомы, даже если некоторые из его лучей были частично заблокированы.

Это открытие произошло отчасти потому, что лазерное охлаждение должно было быть побочным проектом Филлипса, поэтому его лаборатория была расположена в подготовительном помещении, соединенном с механическим цехом. Чтобы предотвратить накопление пыли и жира в вакуумной системе лаборатории, члены группы на ночь закрывали окна системы пластиком или фильтровальной бумагой. «Иногда получалась патока действительно искаженного вида», — вспоминает Пол Летт, который присоединился к группе в 1986 году, «и тогда вы поймете, что, ох, мы не взяли этот кусок фильтровальной бумаги. Удивительно, что это вообще сработало».

Эта удивительная настойчивость побудила Летта настаивать на более систематическом исследовании, включая новый набор измерений температуры. Метод «высвобождения и повторного захвата», разработанный группой Bell Labs, имел относительно большую неопределенность, поэтому группа Филлипса попробовала новый метод, который включал обнаружение света, излучаемого при пересечении атомами зондирующего луча, расположенного рядом с патокой. Когда патоку выключали, атомы улетали. Время, которое им потребовалось, чтобы достичь зонда, дало бы прямую меру их скорости и, следовательно, их температуры.

Как и во всех экспериментах по лазерному охлаждению, лаборатория Филлипса упаковала множество линз и зеркал в крошечное пространство, и наиболее удобным местом для размещения зонда оказалось немного выше области патоки. Это должно было бы работать нормально для атомов, движущихся с доплеровской скоростью, но когда Летт попробовал провести эксперимент, ни один атом не достиг зонда. В конце концов, он и его коллеги переместили зонд под патоку, после чего увидели красивый сигнал. Была только одна проблема: предел доплеровского охлаждения составлял 240 микрокельвинов, но это «времяпролетное» измерение показало температуру 40 микрокельвинов.

Этот результат, кажется, нарушает закон Мерфи, изречение, что «все, что может пойти не так, пойдет не так», поэтому они не были готовы принять это немедленно. Они повторно измерили температуру, используя несколько различных методов, включая улучшенный метод высвобождения и повторного захвата, но продолжали получать тот же результат: атомы были намного холоднее, чем предполагала теория.

В начале 1988 года Филлипс и компания обратились к другим группам из сплоченного сообщества лазерных охладителей с просьбой проверить температуру в их собственных лабораториях. Чу и Виман быстро подтвердили удивительный результат: оптическая патока не только охлаждала атомы, но и работала лучше, чем предполагала теория.

Восхождение на холм

У парижской группы еще не было экспериментальной программы, но Далибар и Коэн-Таннуджи подошли к проблеме теоретически, используя тот же реальный фактор, который Далибар использовал при разработке МОТ: множественные внутренние атомные состояния. Основное состояние натрия имеет пять подуровней с одинаковой энергией, и распределение атомов между этими состояниями зависит от интенсивности и поляризации света. Этот процесс распределения, называемый «оптической накачкой», занимал центральное место в спектроскопических исследованиях, проводившихся в ENS в Париже под руководством Коэна-Таннуджи, поэтому его группа оказалась уникально подходящей для изучения того, как эти дополнительные состояния могут улучшить лазерное охлаждение.

Ключевой особенностью оказывается поляризация лазерного света, которая в классической физике соответствует оси колеблющегося электрического поля света. Комбинация шести встречных лучей приводит к сложному распределению поляризаций, поскольку лучи комбинируются по-разному в разных местах оптической патоки. Атомы постоянно подвергаются оптической накачке в различные конфигурации, что продлевает процесс охлаждения и позволяет снизить температуру.

К лету 1988 года Далибар и Коэн-Таннуджи разработали элегантную модель, объясняющую субдоплеровское охлаждение. (Чу независимо пришел к аналогичному результату, который, как он вспоминает, он получил в поезде между двумя конференциями в Европе.) Они рассматривали упрощенный атом только с двумя подуровнями основного состояния, традиционно обозначаемыми –½ и +½, освещаемый двумя лазерными лучами, распространяющимися в противоположные направления с противоположной линейной поляризацией. Это создает структуру, которая чередует два состояния поляризации, обозначенные σ.^– и σ⁺.

Атом в области σ^– поляризация будет оптически перекачиваться в состояние –½, которое испытывает большой сдвиг света, который снижает его внутреннюю энергию. Когда атом движется к σ⁺ В области поляризации сдвиг света уменьшается, и для компенсации атом должен замедляться, теряя кинетическую энергию для компенсации увеличения внутренней энергии, подобно мячу, катящемуся в гору. Когда он достигает σ⁺ свет, оптическая накачка заставит его переключиться в состояние +½, которое имеет большой световой сдвиг. Атом не возвращает энергию, которую он потерял, поднимаясь на «холм» из σ^– область, однако, поэтому она движется медленнее, когда процесс начинается заново: световой сдвиг уменьшается по мере продвижения к следующему σ^– область, поэтому он теряет энергию, затем оптически накачивается до –½ и так далее.

Этот процесс потери энергии из-за постоянного восхождения на «холмы» получил яркое название: Далибард и Коэн-Таннуджи назвали его охлаждением Сизифа, в честь царя из греческого мифа, который был приговорен провести вечность, толкая валун на холм только для того, чтобы камень соскользнул. и вернитесь вниз (рисунок 4). Атомы в оптической патоке оказываются в аналогичном затруднительном положении: всегда взбираются на холмы и теряют энергию только для того, чтобы оптическая накачка вернула их на дно и заставила начать все сначала.

Награды Сизифа

Теория, лежащая в основе сизифова охлаждения, делает конкретные предсказания о минимальных температурах и о том, как они зависят от расстройки лазера и магнитного поля. Эти предсказания были быстро подтверждены в лабораториях по всему миру. Осенью 1989 года Журнал Оптического общества Америки B опубликовал специальный выпуск по лазерному охлаждению содержащий экспериментальные результаты группы Филлипса в Гейтерсбурге, теорию Сизифа из Парижа, а также объединенную экспериментальную и теоретическую статью группы Чу, которая к тому времени переехала из Bell Labs в Стэнфордский университет в Калифорнии. На протяжении большей части следующего десятилетия этот специальный выпуск считался исчерпывающим источником для студентов, стремящихся понять лазерное охлаждение, и Коэн-Таннуджи и Чу продолжили делиться Нобелевская премия по физике 1997 г. с Филлипсом.

Доведенный до предела, эффект Сизифа может охладить атомы до такой степени, что у них больше не будет достаточно энергии, чтобы подняться хотя бы на один «холм», и вместо этого они будут ограничены крошечной областью одной поляризации. Это удержание столь же плотное, как и для захваченных ионов, что делает две ветви лазерного охлаждения хорошо симметричными. К началу 1990-х годов и захваченные ионы, и нейтральные атомы можно было охладить до режима, в котором их квантовая природа стала очевидной: одиночный ион в ловушке или атом в «яме», созданной в результате сизифова охлаждения, могут существовать только при определенной дискретной энергии. состояния. Эти дискретные состояния вскоре были измерены для обеих систем; сегодня они являются неотъемлемой частью квантовых вычислений с атомами и ионами.

Еще одно интригующее направление исследований касалось самих колодцев. Они образуются, когда световые лучи интерферируют, и естественным образом возникают в виде больших массивов с интервалом в половину длины волны лазера. Периодическая природа этих так называемых оптических решеток имитирует микроскопическую структуру твердого вещества, где атомы играют роль электронов в кристаллической решетке. Это сходство делает захваченные атомы полезной платформой для изучения явлений физики конденсированного состояния, таких как сверхпроводимость.

Однако, чтобы действительно исследовать сверхпроводимость с холодными атомами, решетка должна быть загружена атомами с более высокой плотностью и даже более низкой температурой, чем это может быть достигнуто при сизифовом охлаждении. Как мы увидим в третьей части, достижение этой цели потребует еще одного нового набора инструментов и методов и откроет возможность создания не просто аналогов известных систем, но и совершенно новых состояний материи.

• Часть 3 истории лазерного охлаждения. Чад Орзел скоро будет опубликовано на Мир физики

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Автомобили / электромобили, Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• ЧартПрайм. Улучшите свою торговую игру с ChartPrime. Доступ здесь.
• Смещения блоков. Модернизация права собственности на экологические компенсации. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/colder-how-physicists-beat-the-theoretical-limit-for-laser-cooling-and-laid-the-foundations-for-a-quantum-revolution/