Daha Soğuk: Fizikçiler Lazer Soğutmanın Teorik Sınırını Nasıl Aştı ve Kuantum Devriminin Temellerini Nasıl Attı? - Fizik Dünyası

Daha Soğuk: Fizikçiler Lazer Soğutmanın Teorik Sınırını Nasıl Aştı ve Kuantum Devriminin Temellerini Nasıl Attı? - Fizik Dünyası

Hiçbir deneyin teorinin söylediğinden daha iyi sonuç vermeyeceği pratikte bir yasadır; ancak 1980'lerin sonlarında atom fiziğinde olan da tam olarak budur. Çad Orzel Lazer soğutmanın üç bölümlük tarihçesinin ikinci bölümünde anlatıyor. İlk bölümü buradan okuyabilirsiniz 

atom tuzağı aparatı
Parlak bir şekilde parlıyor Araştırmacı Kris Helmerson, 1980'lerin sonlarında çekilen bir fotoğrafta, bir vakum odasında kesişen altı lazer ışınının yakaladığı küçük, parlak bir sodyum atomu bulutunu gözlemliyor. O sıralarda Helmerson, o zamanlar ABD Ulusal Standartlar Bürosu olan Bill Phillips'in araştırma grubunun bir üyesiydi. Phillips, bu laboratuvarda geliştirilen lazer soğutma ve yakalama teknikleri nedeniyle 1997 yılında Nobel Fizik Ödülü'nü paylaşmaya devam etti. (Nezaket: H Mark Helfer/NIST)

1960'ların sonlarında küçük bir araştırmacı topluluğu, küçük nesneleri itmek için ışıktan gelen kuvvetleri kullanmaya başladı. Sonraki on yılda bu alan, lazer soğutmayı da içeren güçlü bir teknik olan lazer soğutmayı da kapsayacak şekilde genişledi. Doppler kayması nesneleri yalnızca yavaşlatan ve asla hızlandırmayan bir kuvvet üretmek. Yıllar geçtikçe, bu yeni lazer soğutma deneyleri, keşfedilen iki paralel yol (iyonlar ve atomlar) boyunca geliştirildi. bu serinin 1. bölümü: "Soğuk: fizikçiler lazer soğutmayla parçacıkları manipüle etmeyi ve hareket ettirmeyi nasıl öğrendiler".

İyonların birçok açıdan erken bir avantajı vardı. Elektrik yükleri nedeniyle, yüksek sıcaklıklarda elektromanyetik tuzaklara yakalanmalarına ve ultraviyole dalga boylarındaki lazerler tarafından soğutulmalarına olanak sağlayacak kadar güçlü elektromanyetik kuvvetlere maruz kalırlar. 1981'e gelindiğinde iyon tutucular bu tekniği tek iyonları yakalayıp tespit edebilecekleri ve benzeri görülmemiş bir hassasiyetle üzerlerinde spektroskopi yapabilecekleri noktaya kadar geliştirdiler.

Atomların ise aksine, ışık ve manyetik alanların uyguladığı daha zayıf kuvvetler tarafından yakalanmadan önce yavaşlatılması gerekir. Yine de 1985'e kadar Bill Phillips ve meslektaşları ABD Ulusal Standartlar Bürosu Gaithersburg, Maryland'de, bir sodyum atomu ışınını neredeyse durma noktasına kadar yavaşlatmak için ışık kullanmış, sonra onları manyetik bir tuzağa hapsetmişti. Bunun ötesinde, atom terbiyecileri için asıl zorluk, nötr atomların yakalanmasını daha verimli hale getirmek ve soğutma sürecinin sınırlarını zorlamak için bu çalışmayı geliştirmek gibi görünüyordu.

Her iki proje de herkesin beklentilerinin ötesinde başarılı olacaktı. Ve tıpkı 1. bölümde gördüğümüz gibi, bu başarının kökleri arthur aşkin at Bell Laboratuvarları.

İyi fikir, yetersiz uygulama

Ashkin'le en son tanıştığımızda yıl 1970'ti ve kendisi yaklaşık 50 yıl sonra kendisine Nobel Ödülü kazandıracak "optik cımbız" tekniğini henüz geliştirmişti. 1970'lerin sonunda Bell Laboratuvarlarındaki meslektaşlarıyla birlikte atom ışınını içeren deneyler üzerinde çalışıyordu. “Rick Freeman bir atomik ışın makinesi vardı ve atomik ışınla yapılması ilginç olabilecek bazı deneylerim vardı, ancak bir atomik ışın makinesi yapmak beni pek heyecanlandırmadı” diye anımsıyor Ashkin'in o zamanki meslektaşı John Bjorkholm.

Ashkin ve Bjorkholm, bir lazer ışınını atom ışınıyla örtüştürerek, ışığın frekansını ayarlayarak atomlara odaklanmanın veya odak dışı bırakmanın mümkün olduğunu gösterdi. Lazerin kırmızıya (atomların absorbe etmek "istediği"nden biraz daha düşük bir frekansa) ayarlanmasıyla, atomlar ve ışık arasındaki etkileşim, atomların iç enerjisini ("ışık kayması") düşürecek ve atomları lazer ışınına çekecektir. Lazer maviye ayarlandığında atomlar dışarı itildi.

Ashkin'in, bu olguyu atomları hapsedecek "tamamen optik" bir yönteme (yani Phillips'in grubunun kullandığı manyetik alanlar olmadan) dönüştürmek için çeşitli fikirleri vardı. Ne yazık ki Ashkin ve Bjorkholm bunu uygulamakta zorlandılar çünkü Freeman'ın atom ışını yeterince düşük basınçlara dayanamayan pleksiglas pencerelerle yapılmıştı. Dışarıdan sızan atom ve moleküller soğuyan lazerlerden etkilenmedi ve bunun sonucunda ışındaki atomlarla çarpıştıklarında hedef atomları tuzaktan dışarı attılar. Birkaç yıl süren hayal kırıklığı yaratan sonuçların ardından Bell Laboratuvarları liderliği deneylerden soğudu ve Ashkin'i başka şeyler aramaya itti.

Viskoz bir sıvı içinde yüzenler

Steven Chu

Bu sıralarda, (kendi deyimiyle) "zor deneyleri yapabilen bir adam" olarak üne sahip genç bir araştırmacı, Bell Laboratuvarları'nın Holmdel tesisindeki Ashkin'in yakınındaki bir ofise taşındı. Onun adı Steve Chuve Ashkin'in fikirleriyle ilgilenmeye başladı. Birlikte, atom soğutma ve yakalamaya uygun ultra yüksek bir vakum sistemi ve ayrıca değişen Doppler kaymasını telafi etmek için lazer frekansını hızla tarayarak sodyum atomlarını yavaşlatan bir sistem inşa ettiler. İkinci teknik "cıvıltı soğutma" olarak bilinir; Mutlu bir tesadüf eseri, kilit teknolojilerinden birini geliştiren bilim adamları da Holmdel'deydi.

Bu noktada Chu, atomları, bölüm 1'de tartışıldığı gibi, hepsi atomların geçiş frekansının hemen altındaki bir frekansa ayarlanmış, birbirine dik üç çift karşıt yayılan lazer ışınıyla aydınlatarak atomları önceden soğutmayı önerdi. Bu konfigürasyon, bir soğutma kuvveti sağlar. her üç boyutta da aynı anda: Yukarı doğru hareket eden bir atom, aşağı doğru giden lazer ışınının Doppler'in yukarı doğru kaydığını görür, fotonları emer ve yavaşlar; Sola hareket eden bir atom, sağa doğru giden ışındaki fotonların yukarı kaydığını görür, vb. Atomlar hangi yöne hareket ederse etsin, hareketlerine karşı çıkan bir kuvveti hissederler. Viskoz bir sıvı içindeki bir yüzücünün durumunun benzerliği Chu'nun bunu "optik melas" olarak adlandırmasına yol açtı (şekil 1).

1 Optik melas

Daha Soğuk: Fizikçiler lazer soğutmanın teorik sınırını nasıl aştılar ve kuantum devriminin temellerini nasıl attılar – Fizik Dünyası PlatoBlockchain Veri Zekası. Dikey Arama. Ai.

Bir atom, dik eksenler boyunca kırmızı ayarlı ışın çiftleri tarafından aydınlatılır. Sola doğru hareket eden bir atom, sağa doğru giden lazer Doppler'in yukarı doğru kaydığını görecek ve ondan gelen ışığı absorbe etme ve yavaşlama olasılığı daha yüksek olacaktır; diğer ışınlar kaydırılmaz ve dolayısıyla absorbe edilmez. Eğer atom yukarıya doğru hareket ederse, yalnızca aşağıya doğru giden ışının yukarı doğru kaydığını görecek ve ondan soğuracaktır, vb. Atom hangi yöne hareket ederse etsin onu yavaşlatan bir kuvvetle karşılaşır.

Bell Laboratuvarları ekibi 1985 yılında cıvıl cıvıl soğutmalı bir ışından binlerce atom toplayan optik melası gösterdi. Adına yakışır şekilde, optik melas çok "yapışkandı" ve atomları, dışarı çıkmadan önce saniyenin onda biri kadar bir süre (atom fiziğinde neredeyse sonsuzluk) üst üste binen ışınlarda tutuyordu. Melas bölgesinde atomlar sürekli olarak soğuyan lazerlerden gelen ışığı emip yeniden yayıyorlar, böylece dağınık, parlak bir bulut gibi görünüyorlar. Toplam ışık miktarı atom sayısının kolay bir şekilde ölçülmesini sağladı.

Ashkin, Chu ve çalışma arkadaşları aynı zamanda atomların sıcaklığını da tahmin edebildiler. Bunu, pekmezde kaç atom bulunduğunu ölçerek, ışığı kısa bir süreliğine kapatıp, ardından tekrar açıp sayıyı yeniden ölçerek yaptılar. Karanlık aralık sırasında atom bulutu genişleyecek ve bazı atomlar melas ışınlarının bölgesinden kaçacaktı. Bu kaçış oranı, ekibin atomların sıcaklığını hesaplamasına olanak tanıdı: yaklaşık 240 mikrokelvin; lazerle soğutulan sodyum atomları için beklenen minimum değere tam olarak uygun.

Pekmezi tuzağa çevirmek

Yapışkanlığına rağmen optik pekmez bir tuzak değildir. Atomları yavaşlatmasına rağmen atomlar lazer ışınlarının kenarına doğru sürüklendiklerinde kaçabilirler. Bunun aksine bir tuzak, konuma bağlı bir kuvvet sağlayarak atomları merkezi bir bölgeye geri iter.

Tuzak oluşturmanın en basit yolu, Ashkin'in mikroskobik nesneleri yakalamak için geliştirdiği optik cımbızlara benzer şekilde, sıkı odaklanmış bir lazer ışınını kullanmaktır. Lazer odağının hacmi, melas hacminin çok küçük bir kısmı olmasına rağmen, Ashkin, Bjorkholm ve (bağımsız olarak) Chu, melas içinde rastgele difüzyon yoluyla önemli sayıda atomun yine de böyle bir tuzakta birikebileceğini fark ettiler. Melaslarına ayrı bir tuzaklayıcı lazer ışını eklediklerinde sonuçlar umut vericiydi: dağınık melas bulutunda yüzlerce tuzaklanmış atomu temsil eden küçük, parlak bir nokta ortaya çıktı.

Ancak bunun ötesine geçmek teknik zorlukları da beraberinde getirdi. Sorun şu ki, tek ışınlı optik yakalamayı mümkün kılan atom enerjisi seviyelerindeki değişim soğutma sürecini engelliyor: Yakalama lazeri atomun temel durumunun enerjisini düşürdüğünde, soğutma lazerinin etkin frekans ayarını değiştiriyor. İkinci bir lazer kullanmak ve soğutma ile yakalama arasında geçiş yapmak, yakalanabilecek atom sayısını artırır, ancak bu, ek karmaşıklık pahasına olur. Daha fazla ilerleme sağlamak için fizikçilerin ya daha soğuk atomlara ya da daha iyi bir tuzağa ihtiyacı olacak.

Fransız bağlantısı

Claude Cohen-Tannoudji

İkisi de ufuktaydı. Claude Cohen-Tannoudji ve Paris'teki École Normale Supérieure'deki (ENS) grubu öncelikle lazer soğutmayı teorik açıdan ele alıyordu. jean dalibardDaha sonra grupta yeni doktora yapmış biri, Ashkin'in teorik analizlerini incelediğini hatırlıyor ve Jim Gordon da (“fantastik bir makale”) ve Sovyet ikilisi V tarafındanladilen Letokhov ve Vladimir Minogin (Boris D Pavlik ile birlikte)), 1977'de lazer soğutmayla elde edilebilecek minimum sıcaklığı elde etmişti.

1. bölümde gördüğümüz gibi, bu minimum sıcaklık Doppler soğuma sınırı olarak biliniyor ve atomların soğuyan ışınlardan birinden ışığı emdikten sonra fotonları yeniden yaymasıyla meydana gelen rastgele "tekmelerden" kaynaklanıyor. Bu "sınırın" gerçekte ne kadar sağlam olduğunu merak eden Dalibard, atomları mümkün olduğu kadar "karanlıkta" tutmanın yollarını aradı. Bunu yapmak için, gerçek atomların standart Doppler soğuma teorisi tarafından yakalanmayan bir özelliğinden yararlandı: Gerçek atom durumları tek enerji seviyeleri değil, aynı enerjiye ancak farklı açısal momentuma sahip alt seviyelerin birleşimidir (şekil 2).

Bu farklı alt seviyeler veya momentum durumları, manyetik alanın varlığında enerjiyi değiştirir (Zeeman etkisi). Alan güçlendikçe bazı durumların enerjisi artarken diğerlerinin azalır. Daha sonra alanın yönü tersine döndüğünde bu roller değişir. Daha da karmaşık hale getiren bir faktör, lazer ışığının polarizasyonunun hangi alt seviyelerin fotonları emeceğini belirlemesidir. Bir polarizasyon, atomları durumlar arasında açısal momentumu artıracak şekilde hareket ettirirken, bir diğeri bunu azaltır.

2 Sodyumda çoklu alt seviyeler

Daha Soğuk: Fizikçiler lazer soğutmanın teorik sınırını nasıl aştılar ve kuantum devriminin temellerini nasıl attılar – Fizik Dünyası PlatoBlockchain Veri Zekası. Dikey Arama. Ai.

Manyetik alanın yokluğunda, sodyum atomunun temel durumu aynı enerjiye sahip ancak farklı açısal momentuma sahip beş alt seviyeye sahiptir ve uyarılmış durum yedi alt seviyeye sahiptir. Temel ve uyarılmış durum arasındaki tüm geçişler aynı frekanstaki ışığı içerir. Manyetik alan uygulandığında alt seviyeler farklı miktarlarda yukarı veya aşağı doğru kayar. Sonuç olarak, maksimum açısal momentumun "gerilmiş durum" alt seviyeleri arasındaki geçiş, daha yüksek (mavi) veya daha düşük (kırmızı) frekansa doğru hareket eder.

Dalibard, teorik analizinde bu alt seviyeleri, bir noktada sıfır olan ve atomlar dışarı doğru hareket ettikçe artan bir manyetik alanla birleştirdi. Bunu yaparken, etkili lazer frekansı ayarının atomların konumuna bağlı olduğu bir durum yarattı. (Phillips ve meslektaşları, manyetik tuzakları için benzer bir konfigürasyon kullandılar, ancak çok daha yüksek bir alanda.) Bu nedenle atomlar, belirli bir lazeri yalnızca ayarsızlaştırma, Doppler kayması ve Zeeman kayması kombinasyonunun tam olarak doğru olduğu belirli konumda soğurabiliyordu ( Figür 3).

3 Manyeto-optik tuzak

Daha Soğuk: Fizikçiler lazer soğutmanın teorik sınırını nasıl aştılar ve kuantum devriminin temellerini nasıl attılar – Fizik Dünyası PlatoBlockchain Veri Zekası. Dikey Arama. Ai.

Atomlar, merkezden uzaklaştıkça artan bir manyetik alan içinde, zıt polarizasyonlara sahip bir çift kırmızı ayarlı lazerle aydınlatılıyor. Uyarılmış durumun alt seviyeleri, alandan dolayı zıt yönlere doğru kayar ve atomlar ışığı yalnızca ayarsızlaştırma, Zeeman kayması ve Doppler kayması kombinasyonunun tam doğru olduğu konumda emer ve onları merkeze geri iter.

Dalibard, atomların ışığı absorbe etme yeteneklerini bu şekilde kısıtlamanın minimum sıcaklıklarını düşürebileceğini umuyordu. Bunun olmayacağını hesapladıktan sonra bu fikri bir kenara attı. "Bunun bir tuzak olduğunu gördüm ama bir tuzak aramıyordum, Doppler altı soğutma arıyordum" diye açıklıyor.

Eğer olmasaydı, bittiği yer burası olabilirdi Dave Pritchard1986 yılında Paris grubunu ziyaret eden Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden bir fizikçiydi. Ziyaret sırasında Pritchard, daha büyük hacimli tuzaklar üretmeye yönelik fikirler üzerine bir konuşma yaptı ve diğer - daha iyi - önerileri memnuniyetle karşılayacağını söyleyerek bitirdi.

Dalibard, "Dave'e gittim ve 'Bir fikrim var ve bunun daha iyi olduğundan pek emin değilim ama seninkinden farklı' dedim" diye anımsıyor Dalibard. Pritchard, Dalibard'ın fikrini ABD'ye geri götürdü ve 1987'de o ve Chu, Dalibard'ın analizine dayanarak ilk manyeto-optik tuzağı (MOT) inşa ettiler. Dalibard'a sonuçta ortaya çıkan makalenin ortak yazarlığı teklif edildi ancak teşekkür yazısında tanınmaktan mutluydu.

MOT'un lazer soğutmanın geliştirilmesinde ne kadar devrim niteliğinde olduğunu abartmak zordur. Güçlü tuzaklar oluşturmak için yalnızca tek bir lazer frekansı ve nispeten zayıf bir manyetik alan gerektiren, nispeten basit bir cihazdır. Ancak hepsinden önemlisi kapasitesidir. Chu ve Ashkin'in ilk tamamen optik tuzağı yüzlerce atomu barındırıyordu, Phillips'in ilk manyetik tuzağı birkaç bin atomu, ancak ilk manyeto-optik tuzağı on milyon atomu barındırıyordu. Colorado Üniversitesi'nden Carl Wieman'ın ucuz diyot lazerlerini tanıtmasıyla birlikte (bu serinin 3. bölümünde daha fazla bilgi vereceğiz), MOT'un ortaya çıkışı dünya çapında lazer soğutmayı inceleyen grupların sayısında hızlı bir patlamayı tetikledi. Araştırmaların hızı artmak üzereydi.

Murphy kanunu tatile çıkıyor

Pritchard ve Chu ilk MOT'u inşa ederken, Phillips ve Gaithersburglu meslektaşları optik melaslarla ilgili son derece alışılmadık bir sorunla karşılaşıyorlardı. Deneysel fiziğin tüm beklentilerinin aksine pekmez çok işe yaradı. Aslında bazı ışınları kısmen bloke olsa bile atomları soğutabiliyor.

Bu keşif kısmen lazer soğutmanın Phillips'in yan projesi olması gerektiği için ortaya çıktı, dolayısıyla laboratuvarı bir makine atölyesine bağlı bir hazırlık odasında kuruldu. Laboratuvarın vakum sisteminde atölye tozu ve yağının birikmesini önlemek için grup üyeleri geceleri sistemin pencerelerini plastik veya filtre kağıdıyla kapatıyordu. "Bazen gerçekten çarpık görünen pekmez elde edersiniz" diye anımsıyor Paul LettGruba 1986'da katılan , “ve sonra şunu fark edeceksiniz ki, ah, o filtre kağıdı parçasını çıkarmadık. Gerçekten işe yaraması dikkat çekiciydi.”

Bu şaşırtıcı ısrar Lett'i yeni bir sıcaklık ölçüm seti de dahil olmak üzere daha sistematik bir çalışma yapmaya itti. Bell Laboratuvarları grubu tarafından geliştirilen "serbest bırakma ve yeniden yakalama" yönteminin nispeten büyük belirsizlikleri vardı, bu nedenle Phillips'in grubu, atomların pekmezin yakınına yerleştirilen bir sonda ışınından geçerken yayılan ışığın tespit edilmesini içeren yeni bir yöntem denedi. Melas kapatıldığında atomlar uçup gidecekti. Sondaya ulaşmak için harcadıkları zaman, hızlarının ve dolayısıyla sıcaklıklarının doğrudan bir ölçüsünü verecektir.

Tüm lazer soğutma deneyleri gibi, Phillips'in laboratuvarı da çok sayıda mercek ve aynayı küçük bir alana sığdırdı ve sondayı yerleştirmek için en uygun yerin melas bölgesinin biraz yukarısı olduğu ortaya çıktı. Bu, Doppler limit hızlarında hareket eden atomlar için işe yaramalıydı, ancak Lett deneyi denediğinde sondaya hiçbir atom ulaşamadı. Sonunda o ve meslektaşları sondanın konumunu pekmezin altına kaydırdılar ve bu noktada güzel bir sinyal gördüler. Tek bir sorun vardı: Doppler soğutma sınırı 240 mikrokelvindi, ancak bu "uçuş süresi" ölçümü 40 mikrokelvinlik bir sıcaklık gösteriyordu.

Hal Metcalf ve Bill Phillips'in çizgi filmi

Bu sonuç, Murphy yasasını, "yanlış gidebilecek her şey ters gider" hükmünü ihlal ediyor gibi görünüyor, dolayısıyla bunu hemen kabul etmeye istekli değillerdi. Geliştirilmiş serbest bırakma ve yeniden yakalama da dahil olmak üzere birkaç farklı teknik kullanarak sıcaklığı yeniden ölçtüler, ancak aynı sonucu almaya devam ettiler: Atomlar, teorinin mümkün olduğunu söylediğinden çok daha soğuktu.

1988'in başlarında Phillips ve şirketi, birbirine sıkı sıkıya bağlı lazer soğutucular topluluğundaki diğer gruplara ulaşarak onlardan kendi laboratuvarlarındaki sıcaklıkları kontrol etmelerini istedi. Chu ve Wieman şaşırtıcı sonucu hemen doğruladılar: Optik melas yalnızca atomları soğutmakla kalmadı, aynı zamanda teorinin söylediğinden daha iyi çalıştı.

Bir tepeye tırmanmak

Paris grubunun henüz deneysel bir programı yoktu, ancak Dalibard ve Cohen-Tannoudji soruna Dalibard'ın MOT'u geliştirmek için kullandığı aynı gerçek dünya faktörü aracılığıyla teorik olarak saldırdı: çoklu dahili atom durumları. Sodyumun temel durumu aynı enerjiye sahip beş alt seviyeye sahiptir ve atomların bu durumlar arasındaki dağılımı ışığın yoğunluğuna ve polarizasyonuna bağlıdır. "Optik pompalama" adı verilen bu dağıtım süreci, Cohen-Tannoudji yönetimindeki Paris'teki ENS'de gerçekleştirilen spektroskopik araştırmanın merkezinde yer alıyordu, dolayısıyla grubu, bu ek durumların lazer soğutmayı nasıl iyileştirebileceğini keşfetmeye son derece uygundu.

Temel özelliğin, klasik fizikte ışığın salınan elektrik alanının eksenine karşılık gelen lazer ışığının polarizasyonu olduğu ortaya çıkıyor. Karşıt yayılan altı ışının kombinasyonu, ışınlar optik melas içinde farklı yerlerde farklı şekillerde birleştikçe karmaşık bir polarizasyon dağılımı üretir. Atomlar sürekli olarak farklı konfigürasyonlara optik olarak pompalanıyor, bu da soğutma sürecini uzatıyor ve daha düşük sıcaklıklara izin veriyor.

1988 yazında Dalibard ve Cohen-Tannoudji, Doppler altı soğutmayı açıklamak için zarif bir model tasarladılar. (Chu bağımsız olarak benzer bir sonuca ulaştı; bunu Avrupa'daki iki konferans arasında bir trende elde ettiğini hatırlıyor.) Geleneksel olarak -½ ve +½ olarak etiketlenen, yalnızca iki temel durum alt düzeyine sahip, içinde yayılan iki lazer ışınıyla aydınlatılan basitleştirilmiş bir atomu düşündüler. zıt doğrusal polarizasyonlarla zıt yönler. Bu, σ etiketli iki polarizasyon durumu arasında geçiş yapan bir model oluşturur.- ve σ+.

σ bölgesindeki bir atom- polarizasyon optik olarak –½ durumuna pompalanacak ve bu durum, iç enerjisini düşüren büyük bir ışık kaymasına maruz kalacaktır. Atom σ’ya doğru hareket ettikçe+ Polarizasyon bölgesinde ışık kayması azalır ve atomun bunu telafi etmek için yavaşlaması gerekir; tıpkı bir tepeden yukarı doğru yuvarlanan bir top gibi, iç enerjideki artışı telafi etmek için kinetik enerji kaybeder. σ’ya ulaştığında+ hafif, optik pompalama, büyük bir ışık kaymasına sahip olan +½ durumuna geçmesine neden olacaktır. Atom, σ'daki “tepeye” tırmanırken kaybettiği enerjiyi geri alamıyor- ancak süreç yeniden başladıkça daha yavaş hareket ediyor: bir sonraki σ'ya doğru ilerledikçe ışık kayması azalıyor- Böylece enerji kaybeder, ardından optik olarak –½'ye pompalanır ve bu şekilde devam eder.

Sürekli "tepelere" tırmanarak enerji kaybetme süreci, canlı bir isim sağladı: Dalibard ve Cohen-Tannoudji, Yunan mitindeki kayanın kayması için sonsuza kadar bir kayayı tepenin yukarısına itmeye mahkum olan kraldan esinlenerek buna Sisifos soğuması adını verdiler. uzaklaşın ve tabana dönün (şekil 4). Optik melastaki atomlar da kendilerini benzer bir durumda buluyor; her zaman tepelere tırmanıyor ve enerji kaybediyor, ancak optik pompalama onları dibe döndürüyor ve yeniden başlamaya zorluyor.

4 Sisifos soğutma

Daha Soğuk: Fizikçiler lazer soğutmanın teorik sınırını nasıl aştılar ve kuantum devriminin temellerini nasıl attılar – Fizik Dünyası PlatoBlockchain Veri Zekası. Dikey Arama. Ai.

–½ durumundaki hareketli bir atom, sigma-eksi polarizasyonlu ışıkla yıkandığında iç enerjisini düşüren büyük bir ışık kayması görür. Sigma artı polarize ışık içeren bir bölgeye (diyagramın kırmızı alanı) doğru ilerledikçe ışık kayması azalır ve atom, enerjideki değişimi telafi etmek için yavaşlar. σ’ya ulaştığında+ bölgede, optik pompalama onu iç enerjisinin düşük olduğu +½ durumuna taşır, ancak yine de daha yavaş hareket etmektedir. Daha sonra süreç tekrarlanır: σ'ya doğru hareket etmek-, yavaşlama, optik olarak –½'ye pompalama vb.

Sisifos'un ödülleri

Sisifos soğutmasının ardındaki teori, minimum sıcaklıklar ve bunların lazer ayarsızlaştırma ve manyetik alana nasıl bağlı olduğu hakkında somut tahminlerde bulunur. Bu tahminler dünya çapındaki laboratuvarlarda hızla doğrulandı. 1989 sonbaharında Amerika Optik Derneği Dergisi B Lazer soğutmayla ilgili özel bir sayı yayınladı Phillips'in Gaithersburg'daki grubunun deneysel sonuçlarını, Paris'ten Sisifos teorisini ve o sırada Bell Laboratuarlarından Kaliforniya'daki Stanford Üniversitesi'ne taşınmış olan Chu'nun grubunun birleşik deneysel ve teorik makalesini içeriyordu. Sonraki on yılın çoğunda bu özel sayı, lazer soğutmayı anlamak isteyen öğrenciler için kesin kaynak olarak kabul edildi ve Cohen-Tannoudji ve Chu, bu konuyu paylaşmaya devam ettiler. 1997 Nobel Fizik Ödülü Phillips'le birlikte.

Sınırına gelindiğinde Sisifos etkisi, atomları artık tek bir "tepeye" bile tırmanmaya yetecek enerjiye sahip olmadıkları ve bunun yerine tek bir kutuplaşmanın küçük bir bölgesiyle sınırlı kalacakları noktaya kadar soğutabilir. Bu sınırlama, hapsolmuş iyonlar için olduğu kadar sıkıdır ve lazer soğutmanın iki kolunu güzel bir şekilde simetrik hale getirir. 1990'ların başında, hapsolmuş iyonlar ve nötr atomlar, kuantum doğalarının belirgin hale geldiği bir rejime kadar soğutulabildiler: Bir tuzaktaki tek bir iyon veya Sisifos soğutmasında oluşturulan bir "kuyu" içindeki bir atom, yalnızca belirli ayrık enerjilerde var olabilir. devletler. Bu ayrık durumlar kısa sürede her iki sistem için de ölçüldü; günümüzde atomlar ve iyonlarla kuantum hesaplamanın önemli bir parçasıdırlar.

Bir başka ilgi çekici araştırma yolu da kuyularla ilgiliydi. Bunlar, ışık ışınları girişimde bulunduğunda oluşur ve doğal olarak lazer dalga boyunun yarısı kadar aralıklarla büyük diziler halinde meydana gelir. Bu sözde optik kafeslerin periyodik doğası, katı maddenin mikroskobik yapısını taklit eder; atomlar, kristal bir kafeste elektronların rolünü oynar. Bu benzerlik, sıkışıp kalmış atomları, süperiletkenlik gibi yoğun madde fiziği olaylarını keşfetmek için yararlı bir platform haline getiriyor.

Soğuk atomlarla süperiletkenliği gerçekten keşfetmek için kafesin Sisifos soğutmasıyla elde edilebilecek olandan daha yüksek yoğunlukta ve hatta daha düşük sıcaklıktaki atomlarla yüklenmesi gerekir. 3. bölümde göreceğimiz gibi, bu noktaya ulaşmak bir dizi yeni araç ve teknik gerektirecek ve sadece bilinen sistemlerin analoglarını değil, aynı zamanda maddenin tamamen yeni hallerini yaratma olasılığının önünü açacak.

  • Lazer soğutma tarihinin 3. Bölümü Çad Orzel yakında yayınlanacak Fizik dünyası

Zaman Damgası:

Den fazla Fizik dünyası