Kallast: hur ett brev till Einstein och framsteg inom laserkylningsteknik ledde fysiker till nya kvanttillstånd av materia – Physics World

Under de sista två decennierna av 20-talet slog atomfysiker upprepade gånger rekordet för den kallaste temperaturen i universum. Dessa prestationer vilade på en handfull framsteg, inklusive laserkylning (som beskrivs i del 1 av denna historia), den magneto-optiska fällan och tekniker som Sisyfos-kylning som fungerade bättre än förväntat (som beskrivs i del 2). År 1990 kylde fysiker rutinmässigt tiotals miljoner atomer till temperaturer några tiotals mikrokelvin över absolut noll - tusen gånger kallare än konventionell kryogenik och en bråkdel av "dopplerkylningsgränsen" som förutspåtts för laserkylning av enkla atomer.

Lika dramatisk som denna nedgång var, lockade dock ett ännu mer utmanande temperaturfall: ytterligare en faktor på 1000, från mikrokelvin till nanokelvin. Denna ytterligare droppe skulle introducera en ny värld av fysik som kallas kvantdegeneration. Här tvingar låga temperaturer och höga densiteter atomer in i ett av två exotiska tillstånd av materia: antingen en Bose–Einstein-kondensat (BEC), där alla atomer i en gas smälter samman till samma kvanttillstånd, eller en degenererad Fermi-gas (DFG), där gasens totala energi slutar minska eftersom alla tillgängliga energitillstånd är fulla (figur 1).

BEC och DFG är rent kvantfenomen, och en atoms totala spin dikterar vilken av dem som kommer att bildas. Om atomen har ett jämnt antal elektroner, protoner och neutroner är det en boson och kan genomgå BEC. Om summan är udda är det en fermion och kan göra en DFG. Olika isotoper av samma grundämne beter sig ibland på motsatta sätt – fysiker har gjort BEC av litium-7 och DFG med litium-6 – och denna skillnad i lågtemperaturbeteende är en av de mest dramatiska demonstrationerna av den grundläggande uppdelningen mellan kvantpartiklar.

Som med tidigare genombrott som beskrivs i den här serien, kom dykningen till kvantdegeneration tack vare ny teknik som introducerats i forskningslaboratorier utspridda runt om i världen. Och – återigen som med de tidigare framstegen – kom en av dessa teknologier helt av en slump.

Laserkylning billigt

I mitten av 1980s, Carl Wieman studerade paritetsbrott i cesiumatomer vid University of Colorado, Boulder, i USA. Dessa studier kräver tidskrävande och krävande spektroskopimätningar, och Wiemans doktorand Rich Watts utvecklat ett sätt att göra dem med hjälp av diodlasrar som de som tillverkas i miljontals för CD-spelare.

Efter att ha tillbringat år med att ta reda på hur man stabiliserar och kontrollerar dessa billiga solid-state-enheter, ville Watts (ganska rimligtvis) avsluta sin doktorsexamen, så han och Wieman såg sig om efter ett kortare experiment för att testa dem. Svaret de träffade var laserkylning. "Det var den här roliga lilla sidogrejen att avsluta den här studentens examensarbete", minns Wieman, "och det var helt och hållet så jag kom in på [laserkylning]."

1986 blev Watts och Wieman först för att laserkyla en stråle av cesiumatomer. Watts var också först med att laserkyla rubidium, som postdoc med Hal Metcalf vid Stony Brook University i New York, och han deltog i de nyskapande experimenten som avslöjade sub-Doppler-kylning Bill Phillips' labb vid US National Institute of Standards and Technology (NIST) i Gaithersburg, Maryland. Men precis som en annan nyckelspelare vi kommer att möta i den här historien lämnade Watts scenen för tidigt och dog bara 39 år gammal 1996.

Wieman behövde under tiden ett nytt vetenskapligt mål, något som bara kunde göras med kalla atomer. Han, tillsammans med nya kollegor och konkurrenter, fann det i en mycket gammal idé med en oklanderlig vetenskaplig härstamning: Bose–Einstein-kondensering.

Ett lopp till botten

i 1924 Satyendra Nath Bose var fysiker vid University of Dhaka i det som nu är Bangladesh. Samtidigt som han undervisade i det nya och snabbt växande området kvantfysik, insåg han att Max Plancks formel för ljusspektrumet från ett hett föremål kunde härledas från de statistiska reglerna som styr fotonernas beteende, vilket är mycket mer sannolikt än klassiska partiklar. finns i samma stater.

Bose hade problem med att få sitt verk publicerat, så han skickade en kopia till Albert Einstein, som älskade det så mycket att han ordnade det. som publicerades i Zeitschrift für Physik bredvid ett eget papper. Einsteins bidrag inkluderade att utöka fotonstatistiken till andra typer av partiklar (inklusive atomer) och påpeka en intressant konsekvens: vid mycket låga temperaturer är det mest sannolika tillståndet i systemet att alla partiklar upptar samma energitillstånd.

Detta kollektiva tillstånd kallas nu BEC och är nära relaterat till superfluiditet och supraledning, som observeras i vätskor och fasta ämnen (respektive) vid temperaturer nära absolut noll. Själva BEC-övergången kunde dock i princip ske i en utspädd gas av atomer – precis som de atomfysiker började skapa på 1970-talet.

Det fanns dock några hinder. En är att den kritiska temperaturen vid vilken en BEC bildas bestäms av densiteten: ju lägre densitet, desto lägre kritisk temperatur. Även om Sisyfos-kylning möjliggjorde mikrokelvintemperaturer, är laserkylda atomångor så diffusa att deras övergångstemperatur är ännu lägre, i nanokelvinområdet. Den är också lägre än den "rekyltemperatur" som är förknippad med atomer som absorberar eller sänder ut en enda foton. Nedkylning under denna gräns måste därför ske utan laser.

En avdunstning i taget

Den allmänna lösningen på dessa problem kom från Daniel Kleppner och kollegor vid Massachusetts Institute of Technology (MIT). Det liknar mekanismen som kyler en kopp te. Vattenmolekylerna i teet rör sig i olika hastigheter, och de snabbaste har tillräckligt med energi för att bryta sig loss och flyta iväg som vattenånga. Eftersom dessa "flyktingar" bär på en större mängd energi än genomsnittet, hamnar de återstående molekylerna kallare. När energin i deras rörelse omfördelas genom kollisioner mellan molekyler, når systemet en ny jämvikt vid en lägre temperatur (figur 2).

Kleppners metod är känd som evaporativ kylning, och den kräver två element: ett sätt att selektivt ta bort de hetaste atomerna från fällan och en hastighet av kollisioner mellan atomer som är tillräckligt hög för att provet ska återutjämnas efteråt. Det första elementet kom hand i hand med lösningen på fotonrekylproblemet: atomer kan hållas "i mörker" genom att överföra dem från en magneto-optisk fälla (MOT) till en rent magnetisk fälla som den Phillips först gjorde 1983. Den högre energin hos de "heta" atomerna kräver ett större magnetfält för att begränsa dem, och detta stora magnetfält producerar en Zeeman-förskjutning i atomernas energinivåer. En korrekt avstämd radiofrekvenssignal kan alltså vända de "heta" atomerna i detta höga fält till ett icke-fångat tillstånd utan att störa de kallare. De kallare atomerna som lämnas kvar är också begränsade till en mindre volym, så när temperaturen minskar ökar densiteten, vilket för systemet närmare BEC på två sätt.

Kollisionsfrågan ligger dock ur experimentalisternas händer. Den relevanta hastigheten beskrivs av en enda parameter: den så kallade spridningslängden för ett par kolliderande atomer i vissa tillstånd. Om denna spridningslängd är måttligt stor och positiv kommer förångningen att fortgå snabbt och det resulterande kondensatet blir stabilt. Om spridningslängden är för liten blir avdunstningen mycket långsam. Om den är negativ blir kondensatet instabilt.

Den uppenbara lösningen är att välja en atom med rätt spridningslängd, men denna parameter visar sig vara oerhört svår att beräkna utifrån första principer. Det måste bestämmas empiriskt, och i början av 1990-talet hade ingen gjort de nödvändiga experimenten. Följaktligen valde grupperna som började följa BEC olika element från det periodiska systemet, var och en i hopp om att "deras" skulle visa sig vara "rätt". Wieman och hans nya kollega Erik Cornell bytte till och med från cesium till rubidium eftersom rubidiums två stabila isotoper fördubblade sina chanser.

"Det kommer aldrig att fungera"

Eftersom en MOT kan förvandlas till en rent magnetisk fälla helt enkelt genom att stänga av lasrarna och köra mer ström genom magnetspolarna, var de första stegen mot BEC en enkel förlängning av laserkylningsexperiment. Den resulterande "kvadrupolfällan"-konfigurationen har bara ett stort problem: fältet i mitten av fällan är noll, och vid nollfält kan atomer ändra sina interna tillstånd till ett som inte är fångat längre. Att täppa till denna "läcka" av atomer från fällans centrum kräver att man hittar ett sätt att hålla de fångade atomerna från att ändra tillstånd.

Under flera år var detta ett stort område inom laserkylningsforskningen. Förutom Cornell och Wieman var en av huvudutmanarna i det intensifierade BEC-loppet Wolfgang Ketterle från MIT. Hans grupp utvecklade ett sätt att trycka bort atomer från nollfältsområdet med hjälp av en blåavstämd laser fokuserad på mitten av fällan som en "plugg". Cornell och Wieman, å sin sida, använde en helt magnetisk teknik som de kallade en tidsomloppspotentialfälla (TOP).

Cornell utvecklade TOP på ett flyg tillbaka från en konferens i början av 1994, delvis motiverat av behovet av att begränsa störningar i deras apparatur. Även om han och Wieman inte hade plats för ytterligare en laserstråle, kunde de lägga till en liten extra spole runt en axel vinkelrät mot fyrpolsspolarna, och det skulle flytta nollfältspositionen. Atomer i fällan skulle naturligtvis röra sig mot den nya nollan, men inte snabbt. Om de använde två små spolar på olika axlar drivna av oscillerande strömmar för att flytta nollan i en cirkel några hundra gånger per sekund, kan det vara tillräckligt för att hålla den, med Cornells ord, "överallt där atomerna inte är".

De testade idén den sommaren med en liten spole som drivs av en billig ljudförstärkare. Till en början fick det tillagda fältet spolarna som lindades runt sin glasångcell att skramla oroväckande, och de drivna spolarna gav ett genomträngande, högt gnäll, men principen var sund, så de byggde en robustare version. Några månader senare, i början av 1995, diskuterade Cornell fällsystem med Ketterle och kom därifrån och tänkte att MIT-teamets optiska plugg "aldrig skulle fungera. Det kommer i princip att vara en stor gammal svirpsticka som pekar in där." Han erkänner dock att Ketterle kan ha känt samma sak om TOPPEN: "Han tänker förmodligen 'Det är den dummaste idén jag någonsin hört i hela mitt liv'. Så vi gick båda väldigt nöjda från det samtalet."

Som det hände fungerade faktiskt båda teknikerna. Cornell och Wieman var de första att demonstrera detta och utförde en serie experiment där de lyste en laserstråle genom sitt kalla atommoln. Under dessa "ögonblicksbilder" skulle atomer i molnet absorbera fotoner från lasern och lämna en skugga i strålen. Djupet på denna skugga var ett mått på molnets densitet, medan molnets storlek indikerade atomernas temperatur. När förångningen fortskred visade ögonblicksbilderna ett sfäriskt symmetriskt moln av atomer som långsamt krympte och svalnade när heta atomer gradvis avlägsnades.

Sedan, i juni 1995, vid en temperatur på runt 170 nanokelvin, hände något dramatiskt: en liten mörk fläck dök upp i mitten av deras bilder, som representerade atomer med en drastiskt lägre temperatur och högre densitet. Cornell säger att det inte tog lång tid att räkna ut vad som pågick: "Den centrala tätheten bara skjuter upp. Vad händer där om inte Bose–Einstein-kondensering?”

För att bekräfta sina misstankar omvandlade han och Wieman några av sina skuggbilder till de nu ikoniska tredimensionella plottarna (se bilden "Det coolaste resultatet") som visar de termiska atomerna som en bred piedestal och BEC som en "spets" som växer fram i mitten. Spikens form – bredare i en riktning än den andra – kodade för en ledtråd. Eftersom deras TOP-fälla var starkare i vertikal riktning än horisontell, pressades kondensatet hårdare i den riktningen, vilket innebär att det expanderade snabbare i den riktningen efter utsläppet. Även om de inte hade förutspått denna formförändring, kunde de snabbt förklara det, vilket ökade deras förtroende att de hade nått BECs "heliga graal".

Cornell och Wieman tillkännagav sina resultat (ovanligt för dessa dagar) på en presskonferens i början av juni 1995. Deras artikel publicerades i Vetenskap följande månad. I september producerade Ketterle och kollegor sin egen uppsättning 3D-plots som visar en liknande "spets" som dyker upp när deras moln av natriumatomer nådde övergångstemperaturen. Cornell, Wieman och Ketterle fortsatte med att dela 2001 Nobelpriset i fysik för uppnåendet av BEC i utspädda atomära ångor.

Fermioner får sin mästare

Under de första månaderna 1995 rekryterade Cornell en ny postdoc, Deborah "Debbie" Jin. Hennes man John Bohn, en fysiker vid NIST i Boulder, minns att Cornell sa: "Många människor kommer att berätta för dig att BEC fortfarande är ledigt i flera år, men jag tror verkligen att vi kommer att göra det." Han hade rätt: den första BEC hände mellan det att Jin gick med på att ta jobbet och när hon började arbeta.

Jin kom från ett annat forskarsamhälle – hennes avhandling handlade om exotiska supraledare – men hon lärde sig snabbt om lasrar och optik och spelade en nyckelroll i tidiga experiment som undersökte egenskaperna hos BEC. Som en stigande stjärna hade hon många erbjudanden om en permanent tjänst, men hon valde att stanna på JILA, en hybridinstitution som kombinerar expertis från University of Colorado och NIST. Där, för att skilja sitt arbete från det av Cornell och Wieman, bestämde hon sig för att utöva den andra klassen av ultralågtemperaturbeteende: degenererade Fermi-gaser.

Där bosoner styrs av statistiska regler som gör det mer sannolikt att två av dem finns i samma energitillstånd, är fermioner absolut förbjudna att dela tillstånd. Tillämpad på elektroner är detta Paulis uteslutningsprincip som förklarar mycket av kemin: elektroner i en atom "fyller upp" de tillgängliga energitillstånden, och det exakta tillståndet för de sista elektronerna bestämmer de kemiska egenskaperna hos ett givet element. Fermioniska atomer i en magnetfälla följer en liknande regel: när gasen kyls, fylls de lägsta tillstånden. Men vid någon tidpunkt är alla lågenergitillstånd fulla, och molnet kan inte krympa längre. Precis som med BEC är detta ett rent kvantfenomen, som inte har något att göra med interaktioner mellan partiklarna, så det borde kunna observeras i en gas av ultrakalla atomer.

Jin började på JILA 1997 med en enda doktorand, Brian DeMarco, som hade anställts av Cornell men bytte till att arbeta med Jin på Cornells rekommendation. Som DeMarco minns sa Cornell till honom: "Om du och Debbie kan vara de första som gör en DFG, kommer det att bli en stor sak, och det finns en bra chans att göra det."

Paret började med ett tomt labb, utan jämna möbler. Bohn minns att de satt på golvet på kontoret som han delade med Jin och monterade elektronik för deras framtida lasrar. Inom ett år hade de dock en fungerande apparat för magnetisk infångning och avdunstningskyla fermioniska kaliumatomer.

Jakten på en DFG innebär två utmaningar utöver dem som står inför i BEC-loppet. Den första av dessa är att vid ultralåga temperaturer slutar de kollisioner som behövs för återutjämningssteget av evaporativ kylning att inträffa eftersom förbudet mot att två fermioner är i samma tillstånd hindrar dem från att kollidera. För att lösa detta placerade Jin och DeMarco hälften av sina atomer i ett annat inre tillstånd, vilket gav tillräckligt med kollisioner mellan olika tillstånd för att möjliggöra avdunstning. I slutet av processen kunde de ta bort ett av de två tillstånden och avbilda resten.

Den andra frågan är att medan den experimentella signaturen för BEC är en gigantisk täthetspik i mitten av atommolnet, är Fermi-degenerationen mer subtil. Nyckelfenomenet med atomer som vägrar att klumpa ihop sig visar sig odramatiskt i form av att molnet slutar att krympa ytterligare när övergångstemperaturen nås. Att ta reda på hur man kan skilja den degenererade gasen från det termiska molnet krävde noggrann modellering och ett avbildningssystem som på ett tillförlitligt sätt kunde mäta små förändringar i formen på fördelningen.

En Fermi-gas av atomer

Trots dessa utmaningar, bara 18 månader efter att ha börjat med ett tomt rum, publicerade Jin och DeMarco den första observationen av en degenererad Fermi-gas. Några år senare, team ledda av Ketterle, Randy Hulet vid Rice University, Christophe Salomon på ENS i Paris, och John Thomas vid Duke University, följde.

Jin, under tiden, fortsatte med att använda lasrar och magnetfält för att omvandla degenererade atomer till molekyler, vilket öppnade nya gränser inom ultrakall kemi. Detta arbete lockade många utmärkelser, inklusive en MacArthur Foundation "genialistisk anslag", den I I Rabi-priset från American Physical Society (APS) och Isaac Newton-medalj från Institute of Physics. Jin skulle också ha varit en shoo-in för ännu ett Nobelpris i ultrakall atomfysik, men tyvärr, hon dog i cancer 2016, och priset delas inte ut postumt.

Utöver priser är dock Jins arv betydande. Det delområde hon startade har vuxit till ett av de viktigaste områdena inom atomfysik, och hennes tidigare studenter och kollegor fortsätter att leda studiet av ultrakalla fermioner. Som ett erkännande av hennes engagemang för mentorskap skapade APS ett årligt Deborah Jin-pris för enastående doktorsavhandlingsforskning i atom-, molekyl- eller optisk fysik.

En historia av pågående upptäckter

Den här serien sträcker sig över lite mer än ett halvt sekel. Under den tiden gick idén om att använda lasrar för att manipulera atomer från en ledig nyfikenhet hos en enskild Bell Labs-fysiker till en grundläggande teknik för en stor mängd banbrytande fysik. Laserkylda joner är nu en av de viktigaste plattformarna för utvecklingen av kvantinformationsvetenskap. Laserkylda neutrala atomer utgör grunden för världens bästa atomklockor. Och de kvantdegenererade systemen som först observerades av Cornell, Wieman, Ketterle och Jin skapade ett enormt delfält som förbinder atomfysik med fysik och kemi av kondenserad materia. Laserkylda atomer fortsätter att vara avgörande för fysikforskning, och ny historia skrivs dagligen i laboratorier runt om i världen.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/coldest-how-a-letter-to-einstein-and-advances-in-laser-cooling-technology-led-physicists-to-new-quantum-states-of-matter/