Colder: kako so fiziki premagali teoretično mejo laserskega hlajenja in postavili temelje za kvantno revolucijo – Physics World

V poznih šestdesetih letih je majhna skupnost raziskovalcev začela uporabljati sile svetlobe za potiskanje majhnih predmetov. V naslednjem desetletju se je področje razširilo na lasersko hlajenje, močno tehniko, ki izkorišča Doplerski premik ustvariti silo, ki lahko le upočasni predmete in jih nikoli ne pospeši. Z leti so se ti novi eksperimenti z laserskim hlajenjem razvili po dveh vzporednih tirih – ioni in atomi – raziskani v 1. del te serije: "Mraz: kako so se fiziki naučili manipulirati in premikati delce z laserskim hlajenjem".

V mnogih pogledih so imeli ioni zgodnjo prednost. Zaradi njihovega električnega naboja doživljajo elektromagnetne sile, ki so dovolj močne, da se lahko ujamejo v elektromagnetne pasti pri visokih temperaturah in ohladijo z laserji ultravijoličnih valovnih dolžin. Do leta 1981 so lovilci ionov izpopolnili to tehniko do te mere, da so lahko ujeli in zaznali posamezne ione ter na njih izvajali spektroskopijo z izjemno natančnostjo.

Nasprotno pa je treba atome upočasniti, preden jih lahko ujamejo šibkejše sile, ki jih povzročajo svetloba in magnetna polja. Kljub temu do leta 1985 Bill Phillips in sodelavci na Nacionalni urad za standarde ZDA v Gaithersburgu v Marylandu je s svetlobo upočasnil žarek natrijevih atomov skoraj do ustavitve, nato pa jih zaprl v magnetno past. Poleg tega se je zdelo, da je glavni izziv za morebitne krotilce atomov vključevati nadgrajevanje tega dela, da bi bilo lovljenje nevtralnih atomov učinkovitejše, in premikanje meja samega procesa hlajenja.

Oba projekta bi uspela nad pričakovanji vseh. In kot smo videli v 1. delu, korenine tega uspeha segajo nazaj v Arthur Ashkin at Bell Labs.

Dobra ideja, neustrezna izvedba

Ko smo nazadnje srečali Ashkina, je bilo leta 1970 in pravkar je razvil tehniko »optičnega pinceta«, ki mu je skoraj 50 let kasneje prinesla Nobelovo nagrado. Do konca sedemdesetih let prejšnjega stoletja je s sodelavci iz Bell Labs delal na poskusih z atomskim žarkom. “Rick Freeman imel stroj z atomskim žarkom in imel sem nekaj eksperimentov, ki bi jih bilo zanimivo izvesti z atomskim žarkom, vendar nisem bil preveč navdušen nad izdelavo stroja z atomskim žarkom,« se spominja Ashkinov takratni kolega John Bjorkholm.

S prekrivanjem laserskega žarka s snopom atomov sta Ashkin in Bjorkholm pokazala, da je mogoče atome izostriti ali defokusirati s prilagoditvijo frekvence svetlobe. Z laserjem, uglašenim na rdečo – pri nekoliko nižji frekvenci, kot jo atomi »želijo« absorbirati – bi interakcija med atomi in svetlobo znižala notranjo energijo atomov (»premik svetlobe«), kar bi pritegnilo atome v laserski žarek. Z laserjem, nastavljenim na modro, so bili atomi potisnjeni ven.

Ashkin je imel več zamisli, kako bi ta pojav spremenil v »povsem optično« metodo za lovljenje atomov (to je brez magnetnih polj, ki jih je uporabila Phillipsova skupina). Na žalost sta se Ashkin in Bjorkholm trudila, da bi to uvedla, ker je bil Freemanov atomski žarek zgrajen z okni iz pleksi stekla, ki niso mogla prenesti dovolj nizkih pritiskov. Hladilni laserji niso vplivali na atome in molekule, ki so pritekle od zunaj, zato so ob trku z atomi v žarku ciljne atome vrgli iz pasti. Po nekaj letih razočarajočih rezultatov je vodstvo Bell Labsa zamerilo poskusom in prisililo Ashkina, da se je lotil drugih stvari.

Plavalci v viskozni tekočini

Približno v tem času se je mladi raziskovalec s (samoopisanim) slovesom "tipa, ki bi lahko izvedel težke eksperimente" preselil v pisarno blizu Ashkin's v objektu Bell Labs Holmdel. Ime mu je bilo Steve Chu, in začele so ga zanimati Ashkinove ideje. Skupaj so zgradili ultravisok vakuumski sistem, primeren za hlajenje in lovljenje atomov, ter sistem za upočasnitev natrijevih atomov s hitrim spreminjanjem frekvence laserja, da bi kompenzirali spreminjajoči se Dopplerjev premik. Slednja tehnika je znana kot "chirp cooling"; po srečnem naključju so bili v Holmdelu tudi znanstveniki, ki so razvili eno njegovih ključnih tehnologij.

Na tej točki je Chu predlagal, da predhodno ohladijo atome tako, da jih osvetlijo s tremi pravokotnimi pari laserskih žarkov, ki se širijo nasprotno, vsi pa so nastavljeni na frekvenco tik pod prehodno frekvenco atomov, kot je opisano v 1. delu. Ta konfiguracija zagotavlja hladilno silo v vseh treh dimenzijah hkrati: atom, ki se premika navzgor, vidi, da je navzdol usmerjeni laserski žarek Doppler premaknjen navzgor, absorbira fotone in se upočasni; atom, ki se premika levo, vidi fotone v žarku, ki gre v desno, premaknjene navzgor itd. Ne glede na to, v katero smer se atomi premikajo, čutijo silo, ki nasprotuje njihovemu gibanju. Chu je zaradi podobnosti s stisko plavalca v viskozni tekočini to poimenoval »optična melasa« ​​(slika 1).

Ekipa Bell Labs je leta 1985 predstavila optično melaso, ki je zbrala na tisoče atomov iz žarka, hlajenega s čipom. Kot se spodobi imenu, je bila optična melasa zelo »lepljiva«, saj je zadrževala atome v prekrivajočih se žarkih približno desetinko sekunde (v atomski fiziki praktično celo večnost), preden so odtavali ven. Medtem ko so v območju melase, atomi nenehno absorbirajo in ponovno oddajajo svetlobo iz hladilnih laserjev, zato so videti kot razpršen svetleč oblak. Skupna količina svetlobe je zagotovila enostavno merjenje števila atomov.

Ashkin, Chu in njihovi sodelavci so prav tako lahko ocenili temperaturo atomov. To so naredili tako, da so izmerili, koliko atomov je v melasi, za kratek čas ugasnili luč, jo nato ponovno prižgali in ponovno izmerili število. V temnem intervalu bi se atomski oblak razširil in nekateri atomi bi ušli iz območja melasnih žarkov. Ta stopnja uhajanja je ekipi omogočila izračun temperature atomov: približno 240 mikrokelvinov – kar je v skladu s pričakovanim minimumom za lasersko hlajene atome natrija.

Pretvarjanje melase v past

Kljub svoji lepljivosti optična melasa ni past. Čeprav upočasnjuje atome, lahko pobegnejo, ko se atomi premaknejo na rob laserskih žarkov. Nasprotno pa past zagotavlja silo, ki je odvisna od položaja, in potisne atome nazaj v osrednjo regijo.

Najpreprostejši način za ustvarjanje pasti je s tesno fokusiranim laserskim žarkom, podobnim optični pinceti, ki jo je Ashkin razvil za lovljenje mikroskopskih predmetov. Medtem ko je prostornina laserskega žarišča majhen del prostornine melase, so Ashkin, Bjorkholm in (neodvisno) Chu ugotovili, da bi se kljub temu lahko v takšni pasti z naključno difuzijo v melasi kopičilo precejšnje število atomov. Ko so svoji melasi dodali ločen lovilni laserski žarek, so bili rezultati obetavni: v razpršenem oblaku melase se je pojavila majhna svetla točka, ki je predstavljala več sto ujetih atomov.

Vendar pa preseganje tega predstavlja tehnične izzive. Težava je v tem, da premik ravni atomske energije, ki omogoča optično lovljenje z enim žarkom, ovira proces hlajenja: ko lovilni laser zniža energijo osnovnega stanja atoma, spremeni učinkovito frekvenčno razglasitev hladilnega laserja. Uporaba drugega laserja in menjavanje med hlajenjem in lovljenjem izboljšata število atomov, ki jih je mogoče ujeti, vendar za ceno dodatne zapletenosti. Za nadaljnji napredek bi fiziki potrebovali hladnejše atome ali boljšo past.

Francoska povezava

Oboje je bilo na obzorju. Claude Cohen-Tannoudji in njegova skupina na École Normale Supérieure (ENS) v Parizu sta lasersko hlajenje obravnavala predvsem s teoretične strani. Žan Dalibard, takrat novopečeni doktor znanosti v skupini, se spominja preučevanja teoretičnih analiz Ashkina in Jim Gordon (»fantastičen papir«) in sovjetski duo Vladilen Letohov in Vladimir Minogin, ki (z Borisom D Pavlikom) je leta 1977 izpeljal minimalno temperaturo, ki jo je mogoče doseči z laserskim hlajenjem.

Kot smo videli v 1. delu, je ta najnižja temperatura znana kot Dopplerjeva meja hlajenja in izvira iz naključnih "brc", do katerih pride, ko atomi ponovno oddajajo fotone, potem ko absorbirajo svetlobo enega od hladilnih žarkov. Dalibard je bil radoveden, kako trdna je ta »omejitev« v resnici, zato je iskal načine, kako bi atome čim bolj obdržal »v temi«. Da bi to naredil, je izkoristil lastnost resničnih atomov, ki je ne zajame standardna Dopplerjeva teorija hlajenja: resnična atomska stanja niso posamezne energijske ravni, ampak zbirke podravni z enako energijo, vendar različnimi kotnimi momenti (slika 2).

Ti različni podnivoji ali stanja gibalne količine spreminjajo energijo v prisotnosti magnetnega polja (Zeemanov učinek). Ko se polje okrepi, se v nekaterih stanjih energija poveča, v drugih pa zmanjša. Te vloge se nato obrnejo, ko se smer polja obrne. Nadaljnji zapleten dejavnik je, da polarizacija laserske svetlobe določa, kateri podravni bodo absorbirali fotone. Medtem ko ena polarizacija premika atome med stanji na način, ki poveča kotni moment, ga druga zmanjša.

V svoji teoretični analizi je Dalibard združil te podravni z magnetnim poljem, ki je na neki točki nič in se poveča, ko se atomi premikajo navzven. Pri tem je ustvaril situacijo, kjer je bila učinkovita razglasitev frekvence laserja odvisna od položaja atomov. (Phillips in sodelavci so uporabili podobno konfiguracijo za svojo magnetno past, vendar pri veliko višjem polju.) Atomi so torej lahko absorbirali iz določenega laserja samo na določenem položaju, kjer je bila kombinacija razglasitve, Dopplerjevega in Zeemanovega premika ravno pravšnja ( slika 3).

Dalibard je upal, da bi omejevanje sposobnosti atomov, da absorbirajo svetlobo na ta način, lahko znižalo njihovo minimalno temperaturo. Ko je izračunal, da ne bo, je idejo pospravil. "Videl sem, da gre za past, vendar nisem iskal pasti, iskal sem subdopplersko hlajenje," pojasnjuje.

Tu bi se morda končalo, če ne bi bilo Dave Pritchard, fizik na tehnološkem inštitutu v Massachusettsu, ki je pariško skupino obiskal leta 1986. Med obiskom je Pritchard govoril o zamislih za izdelavo pasti z večjim volumnom in končal z besedami, da bi bil vesel drugih – boljših – predlogov.

»Šel sem k Davu in rekel: 'No, imam idejo in nisem preveč prepričan, da je boljša, vendar je drugačna od tvoje,'« se spominja Dalibard. Pritchard je Dalibardovo idejo odnesel nazaj v ZDA in leta 1987 sta on in Chu zgradila prvo magnetno-optično past (MOT), ki temelji na Dalibardovi analizi. Dalibardu je bilo ponujeno soavtorstvo nastalega prispevka, vendar je bil vesel, da so ga preprosto prepoznali v zahvalah.

Težko je preceniti, kako revolucionaren je bil tehnični pregled za razvoj laserskega hlajenja. To je razmeroma preprosta naprava, ki za ustvarjanje močnih pasti zahteva samo eno frekvenco laserja in razmeroma šibko magnetno polje. Najboljša od vsega pa je njegova zmogljivost. Chujeva in Ashkinova prva povsem optična past je vsebovala na stotine atomov, Phillipsova prva magnetna past nekaj tisoč, toda prva magnetnooptična past je vsebovala deset milijonov atomov. Skupaj z uvedbo poceni diodnih laserjev Carla Wiemana na Univerzi v Koloradu (o čemer več v 3. delu te serije) je pojav MOT sprožil hitro eksplozijo števila skupin, ki preučujejo lasersko hlajenje po vsem svetu. Hitrost raziskav se je kmalu pospešila.

Murphyjev zakon vzame dopust

Medtem ko sta Pritchard in Chu gradila prvi MOT, so Phillips in njegovi kolegi iz Gaithersburga naleteli na izjemno nenavadno težavo s svojo optično melaso. V nasprotju z vsemi pričakovanji eksperimentalne fizike je melasa delovala preveč dobro. Pravzaprav bi lahko hladil atome, tudi če bi bili nekateri njegovi žarki delno blokirani.

Do tega odkritja je prišlo deloma zato, ker naj bi bilo lasersko hlajenje Phillipsov stranski projekt, zato je bil njegov laboratorij postavljen v pripravljalni sobi, povezani s strojno delavnico. Da bi preprečili nabiranje prahu in maščob v trgovini na laboratorijskem vakuumskem sistemu, so člani skupine ponoči prekrili okna sistema s plastiko ali filtrirnim papirjem. »Občasno bi dobili melaso res popačenega videza,« se spominja Paul Lett, ki se je skupini pridružil leta 1986, »in potem bi ugotovili, da, oh, tistega kosa filtrirnega papirja nismo vzeli ven. Bilo je izjemno, da je sploh delovalo.«

Ta presenetljiva vztrajnost je vodila Letta, da si je prizadeval za bolj sistematično študijo, vključno z novim nizom meritev temperature. Metoda "sproščanja in ponovnega zajemanja", ki jo je razvila skupina Bell Labs, je imela razmeroma velike negotovosti, zato je Phillipsova skupina preizkusila novo metodo, ki je vključevala zaznavanje svetlobe, ki se oddaja, ko atomi prečkajo sondni žarek, nameščen blizu melase. Ko bi melaso izklopili, bi atomi odleteli. Čas, ki so ga potrebovali, da dosežejo sondo, bi dal neposredno merilo njihove hitrosti in s tem njihove temperature.

Kot pri vseh eksperimentih z laserskim hlajenjem je Phillipsov laboratorij zapakiral veliko leč in ogledal v majhen prostor in izkazalo se je, da je najprimernejše mesto za postavitev sonde nekoliko nad območjem melase. To bi moralo dobro delovati za atome, ki potujejo z njihovo Dopplerjevo mejno hitrostjo, toda ko je Lett poskusil s poskusom, noben atom ni dosegel sonde. Sčasoma so on in njegovi kolegi premaknili položaj sonde pod melaso, na kateri točki so videli čudovit signal. Obstajala je le ena težava: Dopplerjeva meja hlajenja je bila 240 mikrokelvinov, toda ta meritev "časa leta" je pokazala temperaturo 40 mikrokelvinov.

Zdi se, da ta rezultat krši Murphyjev zakon, izrek, da "vse, kar lahko gre narobe, tudi bo", zato tega niso bili pripravljeni sprejeti takoj. Ponovno so izmerili temperaturo z več različnimi tehnikami, vključno z izboljšanim sproščanjem in ponovnim zajemom, vendar so še naprej dobivali enak rezultat: atomi so bili veliko hladnejši, kot je bilo po teoriji možno.

V začetku leta 1988 so Phillips in družba dosegli druge skupine v tesno povezani skupnosti laserskih hladilnikov in jih prosili, naj preverijo temperature v svojih laboratorijih. Chu in Wieman sta hitro potrdila presenetljiv rezultat: optična melasa ni le delovala pri hlajenju atomov, temveč je delovala bolje, kot je trdila teorija.

Plezanje v hrib

Pariška skupina še ni imela eksperimentalnega programa, toda Dalibard in Cohen-Tannoudji sta problem napadla teoretično prek istega dejavnika resničnega sveta, ki ga je Dalibard uporabil za razvoj MOT: več notranjih atomskih stanj. Osnovno stanje natrija ima pet podravni z enako energijo, porazdelitev atomov med temi stanji pa je odvisna od jakosti in polarizacije svetlobe. Ta distribucijski proces, imenovan »optično črpanje«, je bil osrednjega pomena za spektroskopske raziskave, ki so potekale na ENS v Parizu pod vodstvom Cohen-Tannoudjija, zato je bila njegova skupina izjemno primerna za raziskovanje, kako bi lahko ta dodatna stanja izboljšala lasersko hlajenje.

Ključna značilnost se izkaže za polarizacijo laserske svetlobe, ki v klasični fiziki ustreza osi nihajočega električnega polja svetlobe. Kombinacija šestih žarkov, ki se širijo nasprotno, povzroči zapleteno porazdelitev polarizacij, saj se žarki kombinirajo na različne načine na različnih mestih znotraj optične melase. Atomi se nenehno optično črpajo v različne konfiguracije, kar podaljšuje proces hlajenja in omogoča nižje temperature.

Do poletja 1988 sta Dalibard in Cohen-Tannoudji izdelala eleganten model za razlago subdopplerjevega hlajenja. (Chu je neodvisno prišel do podobnega rezultata, za katerega se spominja, da ga je izpeljal na vlaku med dvema konferencama v Evropi.) Upoštevali so poenostavljen atom s samo dvema osnovnima podravnima, tradicionalno označenima z –½ in +½, osvetljena z dvema laserskima žarkoma, ki se širita v nasprotne smeri z nasprotnimi linearnimi polarizacijami. To ustvari vzorec, ki se izmenjuje med dvema polarizacijskima stanjema, označenima s σ^- in σ⁺.

Atom v območju σ^- polarizacija bo optično črpana v stanje –½, ki doživi velik svetlobni premik, ki zniža njegovo notranjo energijo. Ko se atom premika proti σ⁺ polarizacijsko območje, se premik svetlobe zmanjša in atom se mora upočasniti, da to nadomesti, pri čemer izgubi kinetično energijo, da nadomesti povečanje notranje energije, kot žoga, ki se kotali po hribu. Ko doseže σ⁺ svetlobe bo optično črpanje povzročilo preklop v stanje +½, ki ima velik premik svetlobe. Atom ne dobi nazaj energije, ki jo je izgubil, ko se je povzpel na "hrib" iz σ^- vendar se premika počasneje, ko se proces začne znova: premik svetlobe se zmanjšuje, ko se premika proti naslednjemu σ^- območje, tako da izgubi energijo, nato optično črpa na –½ itd.

Ta proces izgubljanja energije zaradi nenehnega vzpenjanja po »hribih« je dobil živo ime: Dalibard in Cohen-Tannoudji sta ga poimenovala Sizifovo ohlajanje, po kralju iz grškega mita, ki je bil obsojen, da bo vso večnost potiskal balvan po hribu, a je skala zdrsnila stran in se vrnite na dno (slika 4). Atomi v optični melasi se znajdejo v podobni stiski, vedno se vzpenjajo po hribih in izgubljajo energijo le, da jih optično črpanje vrne na dno in jih prisili, da začnejo znova.

Sizifove nagrade

Teorija o Sizifovem hlajenju daje konkretne napovedi o najnižjih temperaturah in kako so odvisne od laserske razglasitve in magnetnega polja. Te napovedi so bile hitro potrjene v laboratorijih po vsem svetu. Jeseni 1989 je Journal of the Optical Society of America B izdal posebno številko o laserskem hlajenju ki vsebuje eksperimentalne rezultate Phillipsove skupine v Gaithersburgu, Sizifovo teorijo iz Pariza ter kombiniran eksperimentalni in teoretični članek Chujeve skupine, ki se je do takrat preselila iz Bell Labs na univerzo Stanford v Kaliforniji. Večino naslednjega desetletja je ta posebna številka veljala za dokončen vir za študente, ki želijo razumeti lasersko hlajenje, in Cohen-Tannoudji in Chu sta delila Nobelova nagrada za fiziko 1997 s Phillipsom.

Doveden do svoje meje, lahko Sizifov učinek ohladi atome do točke, ko nimajo več dovolj energije, da bi se povzpeli niti na en "hrib" in so namesto tega omejeni na majhno območje ene same polarizacije. Ta omejitev je tako tesna kot za ujete ione, zaradi česar sta obe veji laserskega hlajenja lepo simetrični. Do zgodnjih devetdesetih let prejšnjega stoletja je bilo mogoče tako ujete ione kot nevtralne atome ohladiti na režim, kjer postane očitna njihova kvantna narava: en sam ion v pasti ali atom v "vodnjaku", ustvarjenem pri Sizifovem ohlajanju, lahko obstaja le v določeni diskretni energiji. države. Ta diskretna stanja so bila kmalu izmerjena za oba sistema; danes so bistveni del kvantnega računalništva z atomi in ioni.

Nadaljnja intrigantna pot raziskav je zadevala same vodnjake. Ti nastanejo, ko svetlobni žarki interferirajo, in se naravno pojavljajo v velikih nizih z razmikom polovice laserske valovne dolžine. Periodična narava teh tako imenovanih optičnih mrež posnema mikroskopsko strukturo trdne snovi, pri čemer atomi igrajo vlogo elektronov v kristalni mreži. Zaradi te podobnosti so ujeti atomi uporabna platforma za raziskovanje pojavov fizike kondenzirane snovi, kot je superprevodnost.

Za resnično raziskovanje superprevodnosti s hladnimi atomi pa mora biti mreža obremenjena z atomi z večjo gostoto in celo nižjo temperaturo, kot je mogoče doseči s Sizifovim hlajenjem. Kot bomo videli v 3. delu, bi doseganje zahtevalo še en nov nabor orodij in tehnik ter bi odprlo možnost ustvarjanja ne le analogov znanih sistemov, temveč povsem novih stanj snovi.

• 3. del zgodovine laserskega hlajenja avtorja Chad Orzel bo kmalu objavljeno na Svet fizike

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Avtomobili/EV, Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• ChartPrime. Izboljšajte svojo igro trgovanja s ChartPrime. Dostopite tukaj.
• BlockOffsets. Posodobitev okoljskega offset lastništva. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/colder-how-physicists-beat-the-theoretical-limit-for-laser-cooling-and-laid-the-foundations-for-a-quantum-revolution/