Coldest: kako sta pismo Einsteinu in napredek v tehnologiji laserskega hlajenja pripeljala fizike do novih kvantnih stanj snovi – Svet fizike

V zadnjih dveh desetletjih 20. stoletja so atomski fiziki večkrat podrli rekord za najnižjo temperaturo v vesolju. Ti dosežki so temeljili na peščici napredkov, vključno z laserskim hlajenjem (kot je opisano v del 1 te zgodovine), magnetno-optična past in tehnike, kot je Sizifovo hlajenje, ki so delovale bolje od pričakovanj (kot je opisano v del 2). Do leta 1990 so fiziki rutinsko ohlajali na desetine milijonov atomov na temperature nekaj deset mikrokelvinov nad absolutno ničlo – tisočkrat hladnejše od običajne kriogenike in delček »Dopplerjeve meje hlajenja«, predvidene za lasersko hlajenje preprostih atomov.

Ne glede na to, kako dramatičen je bil ta padec, pa je prinesel še bolj zahteven padec temperature: nadaljnji faktor 1000, od mikrokelvinov do nanokelvinov. Ta dodatni padec bi uvedel novo področje fizike, znano kot kvantna degeneracija. Tukaj nizke temperature in visoke gostote prisilijo atome v eno od dveh eksotičnih stanj snovi: bodisi a Bose-Einsteinov kondenzat (BEC), pri katerem se vsi atomi v plinu združijo v isto kvantno stanje, ali degenerirani Fermijev plin (DFG), pri katerem se skupna energija plina preneha zmanjševati, ker so vsa razpoložljiva energijska stanja polna (slika 1).

BEC in DFG sta izključno kvantna pojava in celoten vrtljaj atoma narekuje, kateri od njih se bo oblikoval. Če ima atom enako število elektronov, protonov in nevtronov, je bozon in je lahko podvržen BEC. Če je vsota liho, je to fermion in lahko tvori DFG. Različni izotopi istega elementa se včasih obnašajo nasprotno – fiziki so izdelali BEC iz litija-7 in DFG z litijem-6 – in ta razlika v obnašanju pri nizkih temperaturah je ena najbolj dramatičnih demonstracij temeljne delitve med kvantnimi delci.

Tako kot pri prejšnjih dosežkih, opisanih v tej seriji, se je skok v kvantno degeneracijo zgodil po zaslugi novih tehnologij, uvedenih v raziskovalnih laboratorijih, raztresenih po vsem svetu. In – tako kot pri prejšnjem napredku – je ena od teh tehnologij prišla povsem po naključju.

Lasersko hlajenje po ugodni ceni

Sredi osemdesetih let je dr. Carl Wieman je proučeval kršitev paritete v atomih cezija na univerzi Colorado, Boulder, v ZDA. Te študije zahtevajo zamudne in zahtevne spektroskopske meritve in Wiemanov doktorski študent Rich Watts razvili način, kako jih narediti z uporabo diodnih laserjev, kakršnih milijoni proizvajajo za CD predvajalnike.

Potem ko je več let ugotavljal, kako stabilizirati in nadzorovati te poceni polprevodniške naprave, je Watts (precej razumno) želel dokončati doktorat, zato sta z Wiemanom iskala krajši poskus, da bi jih preizkusila. Odgovor, ki so ga našli, je bilo lasersko hlajenje. "To je bila zabavna stranska stvar, da sem dokončal diplomsko nalogo tega študenta," se spominja Wieman, "in popolnoma tako sem prišel v [lasersko hlajenje]."

Leta 1986 sta Watts in Wieman postala prvi z laserjem ohladil žarek cezijevih atomov. Watts je bil tudi prvi, ki je lasersko ohladil rubidij, kot podoktor z Hal Metcalf na univerzi Stony Brook v New Yorku in je sodeloval pri temeljnih poskusih, ki so razkrili subdopplerjevo hlajenje Bill Phillips« na ameriškem Nacionalnem inštitutu za standarde in tehnologijo (NIST) v Gaithersburgu v Marylandu. Vendar pa je Watts kot še en ključni igralec, ki ga bomo srečali v tej zgodovini, prezgodaj zapustil oder in leta 39 umrl pri komaj 1996 letih.

Wieman je medtem potreboval nov znanstveni cilj, nekaj, kar je bilo mogoče narediti samo s hladnimi atomi. Skupaj z novimi kolegi in tekmeci jo je našel v zelo stari ideji z brezhibnim znanstvenim pedigrejem: Bose–Einsteinova kondenzacija.

Dirka do dna

V 1924 Satyendra Nath Bose je bil fizik na Univerza v Daki v današnjem Bangladešu. Med poučevanjem novega in hitro razvijajočega se področja kvantne fizike je ugotovil, da je formulo Maxa Plancka za spekter svetlobe iz vročega predmeta mogoče izpeljati iz statističnih pravil, ki urejajo vedenje fotonov, ki so veliko bolj verjetna kot klasični delci. najdemo v istih državah.

Bose je imel težave z objavo svojega dela, zato je kopijo poslal Albertu Einsteinu, ki mu je bilo tako všeč, da je poskrbel za objavljeno v Zeitschrift für Physik poleg svojega papirja. Einsteinovi prispevki so vključevali razširitev statistike fotonov na druge vrste delcev (vključno z atomi) in poudarjanje zanimive posledice: pri zelo nizkih temperaturah je najverjetnejše stanje sistema, da vsi delci zavzamejo isto energijsko stanje.

To skupno stanje se zdaj imenuje BEC in je tesno povezano s superfluidnostjo in superprevodnostjo, ki ju opazimo v tekočinah in trdnih snoveh (oziroma) pri temperaturah blizu absolutne ničle. Sam prehod BEC pa bi se načeloma lahko zgodil v razredčenem plinu atomov – tako kot tisti, ki so jih atomski fiziki začeli ustvarjati v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja.

Vendar je bilo nekaj ovir. Eno je, da je kritična temperatura, pri kateri nastane BEC, določena z gostoto: manjša kot je gostota, nižja je kritična temperatura. Čeprav je Sizifovo hlajenje omogočilo temperature mikrokelvinov, so lasersko hlajene atomske pare tako razpršene, da je njihova prehodna temperatura še nižja, v območju nanokelvinov. Prav tako je nižja od "temperature odboja", povezane z atomi, ki absorbirajo ali oddajo en foton. Hlajenje pod to mejo mora torej potekati brez laserjev.

Eno izhlapevanje naenkrat

Splošna rešitev teh težav je prišla iz Daniel Kleppner in sodelavci na Massachusetts Institute of Technology (MIT). Podobno je mehanizmu, ki hladi skodelico čaja. Molekule vode v čaju se gibljejo z različnimi hitrostmi in najhitrejše imajo dovolj energije, da se osvobodijo in odplavajo kot vodna para. Ker ti "ubežniki" prenašajo večjo količino energije od povprečne, so preostale molekule na koncu hladnejše. Ko se energija v njihovem gibanju prerazporedi s trki med molekulami, sistem doseže novo ravnotežje pri nižji temperaturi (slika 2).

Kleppnerjeva metoda je znana kot hlajenje z izhlapevanjem in zahteva dva elementa: sredstvo za selektivno odstranjevanje najbolj vročih atomov iz pasti in stopnjo trkov med atomi, ki je dovolj visoka, da se vzorec pozneje ponovno uravnoteži. Prvi element je prišel z roko v roki z rešitvijo problema odboja fotona: atome je mogoče obdržati "v temi", tako da jih prenesemo iz magnetno-optične pasti (MOT) v čisto magnetno past, kot je tista, ki jo je prvi naredil Phillips leta 1983. Večja energija "vročih" atomov zahteva večje magnetno polje, da jih omeji, in to veliko magnetno polje povzroči Zeemanov premik v energetskih ravneh atomov. Pravilno uglašen radiofrekvenčni signal lahko tako obrne "vroče" atome na tem visokem polju v neujeto stanje, ne da bi motil hladnejše. Hladnejši atomi, ki ostanejo za seboj, so prav tako omejeni na manjšo prostornino, tako da se z zniževanjem temperature gostota poveča, s čimer se sistem približa BEC na dva načina.

Vendar vprašanje trka ni v rokah eksperimentalcev. Ustrezna hitrost je opisana z enim samim parametrom: tako imenovano dolžino sipanja za par trkajočih se atomov v določenih stanjih. Če je ta razpršilna dolžina zmerno velika in pozitivna, bo izhlapevanje potekalo hitro in nastali kondenzat bo stabilen. Če je dolžina sipanja premajhna, bo izhlapevanje zelo počasno. Če je negativen, bo kondenzat nestabilen.

Očitna rešitev je izbrati atom s pravo sipalno dolžino, vendar se izkaže, da je ta parameter izjemno težko izračunati iz prvih načel. Določiti ga je treba empirično, v zgodnjih devetdesetih pa nihče ni opravil potrebnih poskusov. Posledično so skupine, ki so začele slediti BEC, izbrale različne elemente iz periodnega sistema, pri čemer je vsaka upala, da se bo "njihov" morda izkazal za "pravega". Wieman in njegov novi kolega Eric Cornell celo zamenjali s cezija na rubidij, ker sta dva stabilna izotopa rubidija podvojila njihove možnosti.

"To ne bo nikoli delovalo"

Ker je mogoče MOT spremeniti v čisto magnetno past preprosto z izklopom laserjev in spuščanjem več toka skozi magnetne tuljave, so bili prvi koraki k BEC neposredna razširitev poskusov laserskega hlajenja. Nastala konfiguracija "kvadrupolne pasti" ima samo en velik problem: polje v središču pasti je nič in pri ničelnem polju lahko atomi spremenijo svoja notranja stanja v tisto, ki ni več ujet. Zamašitev tega "puščanja" atomov iz središča pasti zahteva iskanje načina, da ujetim atomom preprečimo spreminjanje stanja.

Več let je bilo to glavno področje raziskav laserskega hlajenja. Poleg Cornella in Wiemana je bil eden glavnih tekmecev v vse intenzivnejši tekmi za BEC Wolfgang Ketterle z MIT. Njegova skupina je razvila način potiskanja atomov stran od območja ničelnega polja z uporabo modro uglašenega laserja, osredotočenega na sredino pasti kot "čepa". Cornell in Wieman sta uporabila popolnoma magnetno tehniko, ki sta jo poimenovala past časovnega krožečega potenciala (TOP).

Cornell je razvil TOP na povratku s konference v začetku leta 1994, delno motiviran s potrebo po omejitvi motenj na njihovi napravi. Čeprav on in Wieman nista imela prostora za še en laserski žarek, sta lahko dodala majhno dodatno tuljavo okoli osi, ki je pravokotna na kvadrupolne tuljave, in to bi premaknilo položaj ničelnega polja. Atomi v pasti bi se seveda premaknili proti novi ničli, a ne hitro. Če bi uporabili dve majhni tuljavi na različnih oseh, ki jih poganjajo nihajoči tokovi, da bi premaknili ničlo v krogu nekaj stokrat na sekundo, bi to morda zadostovalo, da ostane, po Cornellovih besedah, "povsod, kjer ni atomov".

Tisto poletje so preizkusili idejo z majhno tuljavo, ki jo poganja poceni avdio ojačevalnik. Sprva je dodano polje povzročilo, da so tuljave, navite okoli steklene parne celice, zaskrbljujoče ropotale, gnane tuljave pa so oddajale prodorno, visoko piskanje, vendar je bilo načelo dobro, zato so izdelali trdnejšo različico. Nekaj ​​mesecev pozneje, v začetku leta 1995, je Cornell s Ketterlejem razpravljal o shemah pasti in prišel z mislijo, da optični vtič ekipe MIT »nikoli ne bo deloval. V bistvu bo to velika stara vrtalna palica, ki bo kazala tja.« Vendar pa priznava, da je Ketterle morda čutil enako glede TOP: "Verjetno si misli 'To je najbolj neumna ideja, kar sem jih slišal v življenju.' Tako sva oba odšla zelo zadovoljna iz tega pogovora."

Kot se je zgodilo, sta obe tehniki dejansko delovali. Cornell in Wieman sta bila prva, ki sta to dokazala in izvedla vrsto poskusov, v katerih sta z laserskim žarkom svetila skozi oblak hladnih atomov. Med temi "posnetki" bi atomi v oblaku absorbirali fotone iz laserja in pustili senco v žarku. Globina te sence je merilo gostote oblaka, medtem ko je velikost oblaka kazala temperaturo atomov. Ko je izhlapevanje napredovalo, so posnetki pokazali sferično simetričen oblak atomov, ki se počasi krči in ohlaja, ko so se vroči atomi postopoma odstranjevali.

Nato se je junija 1995 pri temperaturi okoli 170 nanokelvinov zgodilo nekaj dramatičnega: v središču njihovih slik se je pojavila majhna temna lisa, ki je predstavljala atome pri drastično nižji temperaturi in višji gostoti. Cornell pravi, da ni trajalo dolgo, da smo ugotovili, kaj se dogaja: »Osrednja gostota se kar dvigne. Kaj se tam dogaja, če ne Bose-Einsteinova kondenzacija?«

Da bi potrdila svoje sume, sta on in Wieman pretvorila nekaj svojih senčnih slik v zdaj že ikonične tridimenzionalne risbe (glejte sliko »Najbolj kul rezultat«), ki prikazujejo toplotne atome kot širok podstavek in BEC kot »konico«, ki se pojavlja v središče. Oblika konice – širša v eno smer kot druga – je kodirala namig. Ker je bila njihova TOP past močnejša v navpični smeri kot v vodoravni, je bil kondenzat tesneje stisnjen v tej smeri, kar pomeni, da se je po sprostitvi hitreje širil v tej smeri. Čeprav niso predvideli te spremembe oblike, so jo lahko hitro razložili, kar je povečalo njihovo samozavest, da so dosegli "sveti gral" BEC.

Cornell in Wieman sta objavila svoje rezultate (nenavadno za tiste dni) na tiskovni konferenci v začetku junija 1995. Njun članek je bil objavljen v Znanost naslednji mesec. Septembra so Ketterle in sodelavci izdelali lasten nabor 3D grafov, ki prikazujejo podoben "konik", ki se pojavi, ko je njihov oblak natrijevih atomov dosegel temperaturo prehoda. Cornell, Wieman in Ketterle so delili Nobelova nagrada za fiziko 2001 za doseganje BEC v razredčenih atomskih parah.

Fermioni dobijo svojega prvaka

V prvih mesecih leta 1995 je Cornell zaposlil novega podoktorja, Deborah "Debbie" Jin. Njen mož John Bohn, fizik na NIST v Boulderju, se spominja Cornellove besede: "Veliko ljudi vam bo povedalo, da je BEC še nekaj let, a resnično mislim, da bomo to storili." Imel je prav: prvi BEC se je zgodil med časom, ko je Jin sprejela službo, in ko je začela delati.

Jin je prišla iz druge raziskovalne skupnosti – njena diplomska naloga je bila o eksotičnih superprevodnikih –, vendar je hitro spoznala laserje in optiko ter igrala ključno vlogo v zgodnjih poskusih, ki so preučevali lastnosti BEC. Kot vzhajajoča zvezda je imela številne ponudbe za stalno zaposlitev, vendar se je odločila ostati na JILA, hibridni ustanovi, ki združuje strokovno znanje Univerze v Koloradu in NIST. Tam se je, da bi razlikovala svoje delo od dela Cornella in Wiemana, odločila nadaljevati z drugim razredom vedenja pri ultra nizkih temperaturah: degeneriranimi Fermijevimi plini.

Če bozone urejajo statistična pravila, zaradi katerih je večja verjetnost, da bosta dva od njih v istem energijskem stanju, je fermionom absolutno prepovedano deliti stanja. Če se uporabi za elektrone, je to Paulijevo izključitveno načelo, ki pojasnjuje velik del kemije: elektroni v atomu »napolnijo« razpoložljiva energijska stanja in natančno stanje zadnjih elektronov določa kemijske lastnosti danega elementa. Fermionski atomi v magnetni pasti upoštevajo podobno pravilo: ko se plin ohladi, se najnižja stanja napolnijo. Na neki točki pa so vsa nizkoenergijska stanja polna in oblak se ne more več krčiti. Tako kot pri BEC je tudi to povsem kvantni pojav, ki nima nobene zveze z interakcijami med delci, zato bi ga morali opazovati v plinu ultrahladnih atomov.

Jin je začel na JILA leta 1997 z enim podiplomskim študentom, Brian DeMarco, ki ga je najel Cornell, vendar je na Cornellovo priporočilo prešel na delo z Jinom. Kot se spominja DeMarco, mu je Cornell rekel: "Če bosta ti in Debbie lahko prvi, ki bosta naredila DFG, bo to velika stvar in obstaja dobra priložnost za to."

Par je začel s praznim laboratorijem, brez pohištva. Bohn se spominja, kako sta sedela na tleh v pisarni, ki si jo je delil z Jinom, in sestavljala elektroniko za njune prihodnje laserje. V enem letu pa so imeli delujoč aparat za magnetno lovljenje in hlajenje fermionskih kalijevih atomov.

Prizadevanje za DFG predstavlja dva izziva, ki presegata izzive, s katerimi se srečujete v tekmi za BEC. Prvi od teh je, da se pri ultranizkih temperaturah trki, potrebni za korak ponovnega uravnoteženja hlajenja z izhlapevanjem, prenehajo dogajati, ker prepoved, da bi bila dva fermiona v istem stanju, preprečuje, da bi trčila. Da bi to rešili, sta Jin in DeMarco polovico svojih atomov postavila v drugačno notranje stanje, kar je zagotovilo dovolj meddržavnih trkov, da se omogoči izhlapevanje. Na koncu postopka so lahko odstranili eno od obeh stanj in slikali preostala.

Druga težava je, da medtem ko je eksperimentalni podpis BEC ogromen skok gostote sredi atomskega oblaka, je Fermijeva degeneracija bolj subtilna. Ključni pojav atomov, ki se nočejo združiti, se nedramatično kaže v obliki oblaka, ki se preneha krčiti, ko je dosežena prehodna temperatura. Pri ugotavljanju, kako razlikovati degenerirani plin od toplotnega oblaka, je bilo potrebno skrbno modeliranje in slikovni sistem, ki bi lahko zanesljivo izmeril drobne spremembe v obliki porazdelitve.

Fermijev plin atomov

Kljub tem izzivom sta Jin in DeMarco le 18 mesecev po tem, ko sta začela s prazno sobo, objavila prvo opazovanje degeneriranega Fermijevega plina. Nekaj ​​let kasneje so ekipe pod vodstvom Ketterleja Randy Hulet na univerzi Rice, Christophe Salomon na ENS v Parizu in John Thomas na univerzi Duke, sledil.

Jin je medtem nadaljeval z uporabo laserjev in magnetnih polj za pretvorbo degeneriranih atomov v molekule, s čimer je odprl nove meje v ultrahladni kemiji. To delo je prejelo številna priznanja, med drugim a Fundacija MacArthur "genialna donacija"je I I Rabijeva nagrada Ameriškega fizikalnega društva (APS) in Medalja Isaaca Newtona Inštituta za fiziko. Jin bi bila tudi kandidatka za še eno Nobelovo nagrado za fiziko ultrahladnih atomov, a žal, ona leta 2016 umrl za rakom, nagrada pa se ne podeljuje posthumno.

Poleg nagrad pa je Jinova zapuščina precejšnja. Podpodročje, ki ga je ustanovila, je preraslo v eno najpomembnejših področij atomske fizike, njeni nekdanji študenti in kolegi pa še naprej vodijo študij ultrahladnih fermionov. Kot priznanje za njeno predanost mentorstvu je APS ustanovil letno nagrado Deborah Jin za izjemno raziskovanje doktorske disertacije na področju atomske, molekularne ali optične fizike.

Zgodovina nenehnih odkritij

Ta serija zajema nekaj več kot pol stoletja. V tem času je zamisel o uporabi laserjev za manipulacijo atomov prešla iz prazne radovednosti v glavi enega samega fizika Bell Labs v temeljno tehniko za obsežen del najsodobnejše fizike. Lasersko hlajeni ioni so zdaj ena najpomembnejših platform za razvoj kvantne informacijske znanosti. Lasersko hlajeni nevtralni atomi so osnova za najboljše atomske ure na svetu. In kvantno degenerirani sistemi, ki so jih prvi opazili Cornell, Wieman, Ketterle in Jin, so ustvarili ogromno podpolje, ki povezuje atomsko fiziko s fiziko in kemijo kondenzirane snovi. Lasersko hlajeni atomi so še naprej bistveni za fizikalne raziskave, nova zgodovina pa se dnevno piše v laboratorijih po vsem svetu.

• 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. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/coldest-how-a-letter-to-einstein-and-advances-in-laser-cooling-technology-led-physicists-to-new-quantum-states-of-matter/