Kallare: hur fysiker slog den teoretiska gränsen för laserkylning och lade grunden för en kvantrevolution – Physics World

I slutet av 1960-talet började en liten gemenskap av forskare använda krafter från ljus för att trycka runt små föremål. Inom det kommande decenniet expanderade området till att omfatta laserkylning, en kraftfull teknik som utnyttjar Dopplerskift att producera en kraft som bara kan bromsa föremål, och aldrig påskynda dem. Allt eftersom åren gick utvecklades dessa nya laserkylningsexperiment längs de två parallella spåren – joner och atomer – som utforskades i del 1 av denna serie: "Kall: hur fysiker lärde sig att manipulera och flytta partiklar med laserkylning".

På många sätt hade joner en tidig fördel. På grund av sin elektriska laddning upplever de elektromagnetiska krafter, som är tillräckligt starka för att de ska kunna fångas i elektromagnetiska fällor vid höga temperaturer och kylas av lasrar vid ultravioletta våglängder. År 1981 hade jonfångare förfinat denna teknik till en punkt där de kunde fånga och detektera enskilda joner och utföra spektroskopi på dem med oöverträffad precision.

Atomer, däremot, måste bromsas innan de kan fångas av svagare krafter som utövas av ljus och magnetfält. Ändå 1985 Bill Phillips och kollegor på US National Bureau of Standards i Gaithersburg, Maryland, hade använt ljus för att bromsa en stråle av natriumatomer till att nästan stanna och sedan spärra in dem i en magnetfälla. Utöver det verkade den främsta utmaningen för blivande atomtämjare vara att bygga vidare på detta arbete för att göra infångningen av neutrala atomer mer effektiv och att tänja på gränserna för själva kylprocessen.

Båda projekten skulle lyckas över allas förväntningar. Och precis som vi såg i del 1 går rötterna till denna framgång tillbaka till Arthur Ashkin at Bell Labs.

Bra idé, otillräckligt utförande

När vi senast träffade Ashkin var det 1970 och han hade precis utvecklat den "optiska pincett"-tekniken som skulle ge honom ett Nobelpris nästan 50 år senare. I slutet av 1970-talet arbetade han med sina Bell Labs-kollegor på experiment som involverade en atomstråle. "Rick Freeman hade en atomstrålemaskin, och jag hade några experiment som skulle vara intressanta att göra med en atomstråle, men jag var inte särskilt entusiastisk över att bygga en atomstrålemaskin”, minns Ashkins dåvarande kollega John Bjorkholm.

Genom att överlappa en laserstråle med strålen av atomer visade Ashkin och Bjorkholm att det var möjligt att fokusera eller defokusera atomerna genom att justera ljusets frekvens. Med lasern inställd på det röda - med en något lägre frekvens än atomerna "vill" absorbera - skulle interaktionen mellan atomer och ljus sänka atomernas inre energi ("ljusskiftet") och dra in atomer i laserstrålen. Med lasern inställd på det blå trycktes atomerna ut.

Ashkin hade flera idéer för att förvandla detta fenomen till en "helt optisk" metod för att fånga atomer (det vill säga utan de magnetfält som Phillips grupp använde). Tyvärr kämpade Ashkin och Bjorkholm för att implementera det eftersom Freemans atomstråle byggdes med plexiglasfönster som inte kunde hålla tillräckligt låga tryck. Atomerna och molekylerna som läckte in utifrån påverkades inte av kyllasrarna, och som ett resultat, när de kolliderade med atomer i strålen, sparkade de ut målatomerna ur fällan. Efter några år av nedslående resultat, surrade Bell Labs ledning på experimenten och pressade Ashkin att fortsätta med andra saker.

Simmare i en trögflytande vätska

Ungefär vid denna tid flyttade en ung forskare med ett (självbeskrivet) rykte som "en kille som kunde få svåra experiment gjorda" in på ett kontor nära Ashkins i Bell Labs Holmdel-anläggning. Hans namn var Steve Chu, och han blev intresserad av Ashkins idéer. Tillsammans byggde de ett ultrahögt vakuumsystem lämpligt för atomkylning och infångning, plus ett system för att bromsa natriumatomer genom att snabbt svepa laserfrekvensen för att kompensera för det förändrade Dopplerskiftet. Den senare tekniken är känd som "chirp cooling"; av en lycklig slump var forskarna som utvecklade en av dess nyckelteknologier också på Holmdel.

Vid denna tidpunkt föreslog Chu att de skulle förkyla atomerna genom att belysa dem med tre vinkelräta par av mot-utbredning laserstrålar, alla avstämda till en frekvens strax under atomernas övergångsfrekvens som diskuteras i del 1. Denna konfiguration ger en kylande kraft i alla tre dimensionerna samtidigt: en atom som rör sig uppåt ser den nedåtgående laserstrålens Doppler skiftas upp, absorberar fotoner och saktar ner; en atom som rör sig åt vänster ser fotoner i den högergående strålen skiftade upp, och så vidare. Oavsett vilket håll atomerna rör sig känner de en kraft som motsätter sig deras rörelse. Likheten med situationen för en simmare i en trögflytande vätska fick Chu att kalla det "optisk melass" (figur 1).

Bell Labs-teamet demonstrerade optisk melass 1985 och samlade in tusentals atomer från en chirp-kyld stråle. Som det anstår namnet var den optiska melassen väldigt "klibbig" och höll atomer i de överlappande strålarna i ungefär en tiondels sekund (praktiskt taget en evighet i atomfysik) innan de vandrade ut. Medan de är i melassområdet absorberar atomerna ständigt och återutsänder ljus från de kylande lasrarna, så de framstår som ett diffust glödande moln. Den totala mängden ljus gav ett enkelt mått på antalet atomer.

Ashkin, Chu och deras medarbetare kunde också uppskatta atomernas temperatur. De gjorde detta genom att mäta hur många atomer som fanns i melasset, släcka ljuset en kort stund, sedan slå på det igen och mäta antalet igen. Under det mörka intervallet skulle atommolnet expandera, och vissa atomer skulle fly området för melassstrålarna. Denna flykthastighet gjorde det möjligt för teamet att beräkna atomernas temperatur: cirka 240 mikrokelvin – precis i linje med det förväntade minimumet för laserkylda natriumatomer.

Att förvandla melass till en fälla

Trots sin klibbighet är optisk melass ingen fälla. Även om det saktar ner atomerna, kan de fly ut när atomerna väl driver till kanten av laserstrålarna. En fälla, däremot, tillhandahåller en kraft som beror på positionen, och trycker atomer tillbaka in i ett centralt område.

Det enklaste sättet att skapa en fälla är med en hårt fokuserad laserstråle, liknande den optiska pincett Ashkin utvecklat för att fånga mikroskopiska föremål. Medan volymen av laserfokus är en liten bråkdel av melassvolymen, insåg Ashkin, Bjorkholm och (oberoende) Chu att ett betydande antal atomer ändå kunde ackumuleras i en sådan fälla genom slumpmässig diffusion i melasset. När de lade till en separat, infångande laserstråle till sin melass var resultaten lovande: en liten ljus fläck dök upp i det diffusa melassmolnet, som representerade flera hundra fångade atomer.

Att komma bortom det innebar dock tekniska utmaningar. Problemet är att skiftningen av atomenerginivåer som gör enkelstråle optisk infångning möjlig hämmar nedkylningsprocessen: när infångningslasern sänker energin i atomens grundtillstånd ändrar den den effektiva frekvensavstämningen av kyllasern. Att använda en andra laser och växla mellan kylning och infångning förbättrar antalet atomer som kan fångas, men till priset av ytterligare komplexitet. För att göra ytterligare framsteg skulle fysiker behöva antingen kallare atomer eller en bättre fälla.

Den franska kopplingen

Båda var vid horisonten. Claude Cohen-Tannoudji och hans grupp vid École Normale Supérieure (ENS) i Paris tog främst upp laserkylning från den teoretiska sidan. Jean Dalibard, då nybliven doktorand i gruppen, minns att han studerade teoretiska analyser av Ashkin och jim Gordon ("en fantastisk tidning") och av den sovjetiska duon Vladilen Letokhov och Vladimir Minogin, som (med Boris D Pavlik) hade härlett den lägsta temperatur som kunde uppnås med laserkylning redan 1977.

Som vi såg i del 1 är denna lägsta temperatur känd som Doppler-kylningsgränsen, och den härrör från de slumpmässiga "kick" som uppstår när atomer återutsänder fotoner efter att ha absorberat ljus från en av kylstrålarna. Nyfiken på hur fast denna "gräns" verkligen var, letade Dalibard efter sätt att hålla atomerna "i mörkret" så mycket som möjligt. För att göra detta utnyttjade han en egenskap hos verkliga atomer som inte fångas upp av standard Doppler-kylningsteori: verkliga atomtillstånd är inte enstaka energinivåer, utan samlingar av subnivåer med samma energi men olika vinkelmoment (figur 2).

Dessa olika undernivåer, eller momentumtillstånd, ändrar energi i närvaro av ett magnetfält (Zeeman-effekten). När fältet blir starkare ökar vissa tillstånd i energi, medan andra minskar. Dessa roller vänds sedan när fältets riktning ändras. En ytterligare komplicerande faktor är att polariseringen av laserljuset avgör vilka undernivåer som kommer att absorbera fotoner. Medan en polarisering flyttar atomer mellan tillstånd på ett sätt som ökar rörelsemängden, minskar en annan den.

I sin teoretiska analys kombinerade Dalibard dessa undernivåer med ett magnetfält som är noll någon gång och ökar när atomer rör sig utåt. Genom att göra det skapade han en situation där den effektiva laserfrekvensavstämningen berodde på atomernas position. (Phillips och kollegor använde en liknande konfiguration för sin magnetfälla, men vid ett mycket högre fält.) Atomer kunde därför absorbera från en viss laser endast vid den specifika positionen där kombinationen av avstämning, Dopplerskifte och Zeemanskifte var helt rätt ( figur 3).

Dalibard hoppades att en begränsning av atomernas förmåga att absorbera ljus på detta sätt skulle kunna sänka deras lägsta temperatur. Efter att han räknat ut att det inte skulle göra det, arkiverade han idén. "Jag såg att det var en fälla, men jag letade inte efter en fälla, jag letade efter sub-Dopplerkylning," förklarar han.

Det hade kanske varit där det slutade om det inte hade varit för Dave Pritchard, en fysiker vid Massachusetts Institute of Technology som besökte Parisgruppen 1986. Under besöket höll Pritchard ett föredrag om idéer för att producera fällor med större volymer och avslutade med att säga att han skulle välkomna andra – bättre – förslag.

"Jag gick till Dave och jag sa 'Ja, jag har en idé, och jag är inte säker på att den är bättre, men den är annorlunda än din'", minns Dalibard. Pritchard tog Dalibards idé tillbaka till USA, och 1987 byggde han och Chu den första magneto-optiska fällan (MOT) baserad på Dalibards analys. Dalibard erbjöds att vara medförfattare till det resulterande papperet men var glad att bara bli erkänd i bekräftelserna.

Det är svårt att överskatta hur revolutionerande MOT var för utvecklingen av laserkylning. Det är en relativt enkel enhet, som bara kräver en enda laserfrekvens och ett relativt svagt magnetfält för att producera starka fällor. Det bästa av allt är dock dess kapacitet. Chu och Ashkins första helt optiska fälla rymde hundratals atomer, Phillips första magnetfälla flera tusen, men den första magnetoptiska fällan rymde tio miljoner atomer. Tillsammans med introduktionen av billiga diodlasrar av Carl Wieman vid University of Colorado (om vilka mer i del 3 av denna serie), utlöste tillkomsten av MOT en snabb explosion i antalet grupper som studerar laserkylning över hela världen. Forskningstakten var på väg att accelerera.

Murphys lag tar semester

Medan Pritchard och Chu byggde den första MOT, stötte Phillips och hans Gaithersburg-kollegor på ett extremt ovanligt problem med sin optiska melass. Tvärtemot alla förväntan av experimentell fysik fungerade melasset för bra. Faktum är att det kunde kyla atomer även med några av dess strålar delvis blockerade.

Denna upptäckt kom delvis till följd av att laserkylning var tänkt att vara Phillips sidoprojekt, så hans labb sattes upp i ett förberedelserum kopplat till en maskinverkstad. För att förhindra att butiksdamm och fett samlas på labbets vakuumsystem täckte medlemmar i gruppen systemets fönster med plast eller filterpapper på natten. "Ibland skulle du få denna riktigt förvrängda melass," minns det Paul Lett, som gick med i gruppen 1986, "och då skulle du inse att, åh, vi tog inte ut den där biten filterpapper. Det var anmärkningsvärt att det överhuvudtaget fungerade.”

Denna överraskande uthållighet fick Lett att driva på för en mer systematisk studie, inklusive en ny uppsättning temperaturmätningar. "Release-and-recapture"-metoden som utvecklats av Bell Labs-gruppen hade relativt stora osäkerheter, så Phillips grupp försökte en ny metod som innebar att detektera ljuset som sänds ut när atomer korsade en sondstråle placerad nära melassen. När melassen stängdes av skulle atomerna flyga iväg. Den tid det tog att nå sonden skulle ge ett direkt mått på deras hastighet, och därmed deras temperatur.

Liksom alla laserkylningsexperiment packade Phillips labb en massa linser och speglar i ett litet utrymme, och det mest bekväma stället att placera sonden visade sig vara något ovanför melassområdet. Detta borde ha fungerat bra för atomer som färdades med sin Doppler-gränshastighet, men när Lett försökte experimentet nådde inga atomer sonden. Så småningom flyttade han och hans kollegor sondens position till under melasset, då de såg en vacker signal. Det fanns bara ett problem: Dopplerkylningsgränsen var 240 mikrokelvin, men denna "time-of-flight"-mätning visade en temperatur på 40 mikrokelvin.

Detta resultat verkar bryta mot Murphys lag, påståendet att "allt som kan gå fel, kommer", så de var inte villiga att acceptera det omedelbart. De mätte om temperaturen med hjälp av flera olika tekniker, inklusive en förbättrad frisättning och återfångning, men de fick hela tiden samma resultat: atomerna var mycket kallare än vad teorin sa var möjligt.

Tidigt 1988 kontaktade Phillips och företaget andra grupper i det sammansvetsade samhället av laserkylare och bad dem kontrollera temperaturen i sina egna labb. Chu och Wieman bekräftade snabbt det överraskande resultatet: optisk melass fungerade inte bara för att kyla atomer, den fungerade bättre än teorin sa att den skulle göra.

Att klättra uppför en kulle

Parisgruppen hade ännu inte något experimentellt program, men Dalibard och Cohen-Tannoudji attackerade problemet teoretiskt via samma verkliga faktor som Dalibard använde för att utveckla MOT: flera interna atomtillstånd. Grundtillståndet för natrium har fem undernivåer med samma energi, och fördelningen av atomer mellan dessa tillstånd beror på ljusets intensitet och polarisering. Denna distributionsprocess, kallad "optisk pumpning", var central för den spektroskopiska forskningen som ägde rum vid ENS i Paris under Cohen-Tannoudji, så hans grupp var unikt väl lämpad för att utforska hur dessa ytterligare tillstånd kunde förbättra laserkylning.

Nyckeldraget visar sig vara polariseringen av laserljuset, som i klassisk fysik motsvarar axeln för ljusets oscillerande elektriska fält. Kombinationen av sex mot-utbredningsstrålar ger en komplicerad fördelning av polarisationer eftersom strålarna kombineras på olika sätt på olika ställen inom den optiska melassen. Atomerna pumpas ständigt optiskt in i olika konfigurationer, vilket förlänger kylningsprocessen och tillåter lägre temperaturer.

Sommaren 1988 hade Dalibard och Cohen-Tannoudji tagit fram en elegant modell för att förklara sub-Dopplerkylning. (Chu kom självständigt fram till ett liknande resultat, som han minns att det härledde på ett tåg mellan två konferenser i Europa.) De ansåg en förenklad atom med endast två grundtillståndsundernivåer, traditionellt märkta –½ och +½, upplyst av två laserstrålar som fortplantade sig i motsatta riktningar med motsatta linjära polarisationer. Detta skapar ett mönster som växlar mellan två polarisationstillstånd, märkta σ^- och σ⁺.

En atom i en region av σ^- polarisering kommer att pumpas optiskt in i -½-tillståndet, som upplever en stor ljusförskjutning som sänker dess inre energi. När atomen rör sig mot σ⁺ polarisationsområdet minskar ljusförskjutningen och atomen måste sakta ner för att kompensera och förlora kinetisk energi för att kompensera för ökningen av inre energi, som en boll som rullar uppför en kulle. När den når σ⁺ ljus, kommer optisk pumpning att få den att växla till +½-tillståndet, vilket har en stor ljusförskjutning. Atomen får inte tillbaka den energi den förlorade när den klättrade upp för "kullen" ur σ^- region, dock, så det går långsammare när processen börjar om: ljusförskjutningen minskar när den rör sig mot nästa σ^- region, så att den förlorar energi, pumpar sedan optiskt till –½, och så vidare.

Denna process att förlora energi genom att ständigt klättra på "kullar" gav ett levande namn: Dalibard och Cohen-Tannoudji kallade det Sisyphus cooling, efter kungen i grekisk myt som dömdes att tillbringa evigheter med att trycka ett stenblock uppför en kulle bara för att få stenen att glida bort och gå tillbaka till botten (figur 4). Atomer i optisk melass befinner sig i en liknande situation, klättrar alltid uppför kullar och förlorar energi bara för att få optisk pumpning tillbaka dem till botten och tvinga dem att börja om igen.

Sisyfos belöningar

Teorin bakom Sisyfos-kylning gör konkreta förutsägelser om lägsta temperaturer och hur de beror på laseravstämningen och magnetfältet. Dessa förutsägelser bekräftades snabbt i laboratorier runt om i världen. Hösten 1989 Journal of the Optical Society of America B publicerade ett specialnummer om laserkylning innehållande experimentella resultat från Phillips grupp i Gaithersburg, Sisyfos-teorin från Paris och en kombinerad experimentell och teoretisk artikel från Chus grupp, som då hade flyttat från Bell Labs till Stanford University i Kalifornien. Under större delen av nästa decennium betraktades detta specialnummer som den definitiva källan för studenter som försökte förstå laserkylning, och Cohen-Tannoudji och Chu fortsatte med att dela 1997 Nobelpriset i fysik med Phillips.

Tagen till sin gräns kan Sisyfoseffekten kyla atomer till en punkt där de inte längre har tillräckligt med energi för att klättra ens en enda "kulle" och istället är begränsade till ett litet område av en enda polarisering. Denna inneslutning är lika tät som den är för fångade joner, vilket gör de två grenarna av laserkylning snyggt symmetriska. I början av 1990-talet kunde fångade joner och neutrala atomer båda kylas till en regim där deras kvantnatur blir uppenbar: en enda jon i en fälla, eller en atom i en "brunn" skapad i Sisyfos-kylning, kan bara existera i viss diskret energi stater. Dessa diskreta tillstånd mättes snart för båda systemen; idag är de en viktig del av kvantberäkning med atomer och joner.

Ytterligare en spännande forskningsväg gällde själva brunnarna. Dessa bildas när ljusstrålar interfererar och förekommer naturligt i stora arrayer med ett avstånd på halva laservåglängden. Den periodiska naturen hos dessa så kallade optiska gitter efterliknar den mikroskopiska strukturen hos fast materia, där atomerna spelar rollen som elektroner i ett kristallgitter. Denna likhet gör fångade atomer till en användbar plattform för att utforska fysikfenomen för kondenserad materia som supraledning.

För att verkligen utforska supraledning med kalla atomer måste dock gittret laddas med atomer med en högre densitet och en ännu lägre temperatur än vad som kan uppnås med Sisyfos-kylning. Som vi kommer att se i del 3 skulle det kräva ytterligare en ny uppsättning verktyg och tekniker för att nå dit, och det skulle öppna möjligheten att skapa inte bara analoger till kända system, utan helt nya materiatillstånd.

• Del 3 av historien om laserkylning av Chad Orzel kommer att publiceras inom kort Fysikvärlden

• 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. Fordon / elbilar, Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• ChartPrime. Höj ditt handelsspel med ChartPrime. Tillgång här.
• BlockOffsets. Modernisera miljökompensation ägande. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/colder-how-physicists-beat-the-theoretical-limit-for-laser-cooling-and-laid-the-foundations-for-a-quantum-revolution/