Kontinuerlig Bose–Einstein-kondensat öppnar dörren till kontinuerliga vågatomlasrar PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikal sökning. Ai.

Kontinuerlig Bose–Einstein-kondensat öppnar dörren till kontinuerliga atomlasrar

Tidsstämpel: 18 juni 2022 10:15

Ett kontinuerligt Bose–Einstein-kondensat (BEC) har producerats av forskare i Nederländerna. Prestationen hävdas som en första och har eftersträvats i åratal och kan leda till kontinuerliga atomlasrar och en mer grundläggande förståelse av den kondenserade materiens fysik.

googletag.cmd.push (funktion () {googletag.display ('div-gpt-ad-3759129-1');});

BEC bildas när en gas av bosoniska atomer kyls till ultrakalla temperaturer. En stor del av atomerna upptar systemets grundtillstånd och BEC beter sig som ett makroskopiskt system som beskrivs av en enda kvantvågfunktion. BEC gjordes första gången 1995 och deras skapare belönades med 2001 års Nobelpris i fysik.

BEC är strängt taget atomlasrar, som kvantfysiker Florian Schreck vid universitetet i Amsterdam förklarar: "Om du tar ordet laser som att betyda ljusförstärkning genom stimulerad strålningsemission, och du översätter alla dessa ord ett efter ett till deras atomära motsvarigheter, då är processen att göra detta makroskopiskt upptagna läge densamma sak."

En konventionell laserstråle produceras genom att en del av ljuset dras ut ur ett optiskt läge som finns i en optisk kavitet. För att producera en kontinuerlig våglaser måste man pumpa energi in i kavitetsläget så fort som energin lämnar via laserstrålen och andra förlustprocesser.

Fylla på atomer

Ett av de centrala målen för atomoptik är att producera en atomlaser med kontinuerliga vågor – ett system som levererar en kontinuerlig stråle av koherenta atomer. För att uppnå detta skulle forskare behöva lägga till nya atomer till en BEC minst lika snabbt som atomer i strålen lämnade den.

Medan fotoner i huvudsak är icke-interagerande, bildar ultrakalla atomer snabbt molekyler, vilket vanligtvis är den största orsaken till atomförlust i en BEC. För att upprätthålla en BEC kontinuerligt måste fysiker därför fylla på dessa atomer snabbt och kontinuerligt. Bara detta har hittills visat sig omöjligt, även utan att avlägsna atomer för att bilda en laserstråle.

2013 skapade Schreck och kollegor, då vid Österrikes institut för kvantoptik och kvantinformation och universitetet i Innsbruck, första BEC genom laserkylning av atomer snarare än evaporativ kylning. Laserkylning är mycket snabbare och kräver inte att det mesta av provet går förlorat. De låste en laser till en atomövergång med smal linjebredd i strontium för att kyla ett moln av atomerna, medan en andra laser ökade fångstpotentialen i mitten av fällan. Denna andra laser gjorde centrum transparent för lasern och tillät energi från dessa atomer, som värmdes upp när deras densitet ökade, att diffundera bort till de omgivande atomerna.

Tvåstegsprocess

Laserkylning av strontiumatomer är dock en process i två steg: först kyls atomerna från ugnstemperaturen med hjälp av en bred, blå resonans, sedan kyler en andra, mycket snävare resonans atomerna från 1 mK till cirka 1 μK.

"Tyvärr fungerar det här tricket som vi använde för att skydda BEC från laserkylningsfotoner inte för lasern med bred linjebredd", förklarar Schreck; "Så vi kylde först vårt prov med det blå ljuset, sedan stängde vi av det." Detta sekventiella tillvägagångssätt kunde därför endast producera ett kondensat intermittent.

I det nya arbetet designade Schreck och kollegor en ny maskin med två separata vakuumkammare. Detta tillät dem att leda en stråle av atomer genom båda och fylla på BEC kontinuerligt.

"Istället för att utföra alla dessa kylövergångar en efter en i tid som människor alltid gjorde förut, så utför du dem en efter en i rymden", förklarar Schreck. Resultatet blev ett kondensat som ersattes snabbare än det sönderföll, vilket lät det kvarstå på obestämd tid.

Stora framsteg

Flera grupper har tidigare försökt implementera sekventiella kylningssteg med hjälp av flera tekniker för att kyla en mängd olika atomer, säger Shreck. "De gjorde stora framsteg, men de kunde inte driva det hela vägen igenom. Nu är tekniken bara mer mogen, och strontium är bara trevligt eftersom det har den här smala kylövergången, vilket gjorde det lättare för oss.”

Forskarnas huvudmål är atomlasrar med kontinuerliga vågor, som kan hitta en mängd användningsområden inom gravitationsvågdetektering, mörkenergisökningar, tester av ekvivalensprincipen och på andra ställen. Schreck säger att det är oklart exakt hur mycket av strålen som skulle kunna extraheras för närvarande eftersom simuleringarna är oprecisa, men han är "absolut säker på att det är mer än 20%" och tror att det borde visa sig vara relativt enkelt att öka förstärkningen ytterligare.

Utöver atomlaserstrålar kan dock kontinuerliga BEC:er svara på viktiga frågor inom den kondenserade materiens fysik. "Det här är ett driven, dissipativt system och du kan i princip ha nya kvantfaser och kvantbeteende i dynamiska system där det finns drivkraft och förlust", säger Schreck och tillägger. "Teoretiker är ganska intresserade av detta".

Jun Ye av JILA vid US National Institute for Standards and Technology och University of Colorado är imponerad. "Florian Schrecks grupp har arbetat på en kontinuerlig källa till ultrakalla strontiumatomer i ett antal år", säger han. "Det är verkligen tillfredsställande att se att de har gjort ett stort genombrott i att kombinera denna teknik med en kontinuerlig Bose-stimulerad spridning av termiska atomer till ett Bose-Einstein-kondensat av strontium-84. Den här tekniken, när den väl har utökats med möjlighet till kontinuerlig utmatning, kommer att ha stor inverkan på kvantsensorer som sträcker sig från materievågsinterferometrar till klockor."

Forskningen beskrivs i Natur.

Posten Kontinuerlig Bose–Einstein-kondensat öppnar dörren till kontinuerliga atomlasrar visades först på Fysikvärlden.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden