Холодніше: як фізики подолали теоретичну межу для лазерного охолодження та заклали основи для квантової революції – Physics World

Наприкінці 1960-х років невелика спільнота дослідників почала використовувати силу світла, щоб штовхати невеликі предмети. Протягом наступного десятиліття сфера розширилася, включивши лазерне охолодження, потужну техніку, яка використовує Зсув доплерів створити силу, яка може лише уповільнювати рух об’єктів, але ніколи їх не прискорювати. Минали роки, ці нові експерименти з лазерним охолодженням розвивалися вздовж двох паралельних шляхів – іонів і атомів – досліджених у частина 1 цієї серії: «Холод: як фізики навчилися маніпулювати та переміщувати частинки за допомогою лазерного охолодження».

Багато в чому іони мали першу перевагу. Завдяки своєму електричному заряду вони відчувають електромагнітні сили, які є достатньо сильними, щоб дозволити їм потрапити в електромагнітні пастки при високих температурах і охолоджуватися лазерами з ультрафіолетовими хвилями. До 1981 року іоноловці удосконалили цю техніку настільки, що вони могли вловлювати й виявляти окремі іони та виконувати їх спектроскопію з безпрецедентною точністю.

Атоми, навпаки, мають бути сповільнені, перш ніж вони можуть бути захоплені слабшими силами світла та магнітних полів. Все ж до 1985 р Білл Філіпс та колеги по Національне бюро стандартів США у Гейтерсбурзі, штат Меріленд, використав світло, щоб уповільнити промінь атомів натрію майже до зупинки, а потім утримував їх у магнітній пастці. Крім того, головним завданням для потенційних приборкачів атомів, здавалося, є побудова цієї роботи, щоб зробити захоплення нейтральних атомів більш ефективним і розширити межі самого процесу охолодження.

Обидва проекти перевершили б усі очікування. І як ми побачили в частині 1, коріння цього успіху сягає корінням Артур Ашкін at Bell Labs.

Хороша ідея, неадекватне виконання

Коли ми востаннє зустрічалися з Ашкіним, це був 1970 рік, і він щойно розробив техніку «оптичного вищипування», яка принесла йому Нобелівську премію майже через 50 років. До кінця 1970-х років він працював зі своїми колегами з Bell Labs над експериментами з атомним пучком. «Рік Фрімен У мене була атомно-променева машина, і в мене було кілька експериментів, які було б цікаво провести з атомним пучком, але я не надто захоплювався створенням атомно-променевої машини», — згадує тодішній колега Ашкіна Джон Бьоркхольм.

Накладаючи лазерний промінь на промінь атомів, Ашкін і Бьоркхольм показали, що можна сфокусувати або розфокусувати атоми, регулюючи частоту світла. З лазером, налаштованим на червоне – на трохи нижчій частоті, ніж атоми «хочуть» поглинати – взаємодія між атомами та світлом знизить внутрішню енергію атомів («світловий зсув»), втягуючи атоми в лазерний промінь. З лазером, налаштованим на синій, атоми виштовхувалися.

У Ашкіна було кілька ідей щодо перетворення цього явища на «повністю оптичний» метод захоплення атомів (тобто без магнітних полів, які використовувала група Філліпса). На жаль, Ашкіну та Бьоркхольму було важко це реалізувати, тому що атомний промінь Фрімена був побудований з вікнами з оргскла, які не витримували досить низький тиск. Атоми та молекули, які просочилися ззовні, не зазнали впливу охолоджуючих лазерів, і в результаті, коли вони стикалися з атомами в промені, вони викидали цільові атоми з пастки. Після кількох років невтішних результатів керівництво Bell Labs занепало експериментами та підштовхнуло Ашкіна до інших справ.

Плавці у в'язкій рідині

Приблизно в цей час молодий дослідник із (самоописаною) репутацією «хлопця, який міг проводити важкі експерименти» переїхав до офісу неподалік від Ашкіна на підприємстві Bell Labs у Холмделі. Його звали Стів Чу, і він зацікавився ідеями Ашкіна. Разом вони створили систему надвисокого вакууму, придатну для охолодження та захоплення атомів, а також систему для уповільнення атомів натрію шляхом швидкого зміни частоти лазера, щоб компенсувати зміну доплерівського зсуву. Останній метод відомий як «охолодження чирпом»; за щасливим збігом обставин, вчені, які розробили одну з ключових технологій, також були в Holmdel.

У цей момент Чу запропонував попередньо охолодити атоми, освітливши їх трьома перпендикулярними парами зустрічних лазерних променів, усі налаштовані на частоту трохи нижчу частоти переходу атомів, як обговорювалося в частині 1. Ця конфігурація забезпечує силу охолодження у всіх трьох вимірах одночасно: атом, що рухається вгору, бачить, що доплерівський промінь, що йде вниз, зміщується вгору, поглинає фотони та сповільнюється; атом, що рухається вліво, бачить, що фотони в промені, що йде вправо, зміщені вгору, і так далі. У якому б напрямку не рухалися атоми, вони відчувають силу, що протидіє їхньому руху. Подібність до становища плавця у в’язкій рідині змусила Чу назвати це «оптичною патокою» (рис. 1).

У 1985 році команда Bell Labs продемонструвала оптичну патоку, зібравши тисячі атомів із охолодженого чірпом пучка. Як і належить назві, оптична патока була дуже «липкою», утримуючи атоми в пучках, що перекривалися, протягом приблизно десятої частки секунди (практично цілу вічність в атомній фізиці), перш ніж вони вилетіли. Перебуваючи в області меляси, атоми постійно поглинають і повторно випромінюють світло від охолоджуючих лазерів, тому вони виглядають як розсіяна сяюча хмара. Загальна кількість світла легко вимірює кількість атомів.

Ашкін, Чу та їхні співробітники також змогли оцінити температуру атомів. Вони зробили це, вимірявши кількість атомів у патоці, вимкнувши світло на короткий час, потім увімкнувши його знову та повторно вимірявши кількість. Протягом темного інтервалу атомна хмара розширюється, і деякі атоми залишають область пучків меляси. Ця швидкість виходу дозволила команді розрахувати температуру атомів: близько 240 мікрокельвінів, що відповідає очікуваному мінімуму для охолоджених лазером атомів натрію.

Перетворення патоки в пастку

Незважаючи на свою липкість, оптична патока не є пасткою. Хоча це уповільнює атоми, як тільки атоми дрейфують до краю лазерних променів, вони можуть втекти. Пастка, навпаки, постачає силу, яка залежить від положення, штовхаючи атоми назад у центральну область.

Найпростіший спосіб створення пастки — це сфокусований лазерний промінь, подібний до оптичного пінцета, розробленого Ashkin для захоплення мікроскопічних об’єктів. У той час як об’єм лазерного фокусу становить крихітну частку об’єму патоки, Ашкін, Бйоркхольм і (незалежно) Чу зрозуміли, що значна кількість атомів може накопичуватися в такій пастці через випадкову дифузію в патоці. Коли вони додали до патоки окремий лазерний промінь, що вловлює, результати виявилися багатообіцяючими: у дифузній хмарі патоки з’явилася невелика яскрава пляма, яка представляла кілька сотень захоплених атомів.

Однак вихід за межі цього становив технічні проблеми. Проблема в тому, що зрушення рівнів атомної енергії, яке робить можливим однопроменеве оптичне захоплення, перешкоджає процесу охолодження: коли лазер із захопленням знижує енергію основного стану атома, це змінює ефективну частотну розстрочку охолоджуючого лазера. Використання другого лазера та чергування між охолодженням і захопленням збільшує кількість атомів, які можуть бути захоплені, але ціною додаткової складності. Для подальшого прогресу фізикам знадобляться або більш холодні атоми, або краща пастка.

Французький зв'язок

Обидва були на горизонті. Клод Коен-Таннуджі і його група в École Normale Supérieure (ENS) у Парижі в основному розглядали лазерне охолодження з теоретичної сторони. Жан Далібар, тоді новоспечений доктор філософії в групі, згадує, як вивчав теоретичний аналіз Ашкіна та Джим Гордон («Фантастична стаття») і радянським дуетом Владілен Лєтохов і Володимир Міногін, які (разом з Борисом Павліком) ще в 1977 році встановив мінімальну температуру, яку можна досягти за допомогою лазерного охолодження.

Як ми бачили в частині 1, ця мінімальна температура відома як межа доплерівського охолодження, і вона походить від випадкових «штовхів», які виникають, коли атоми повторно випромінюють фотони після поглинання світла від одного з охолоджуючих променів. Цікавлячись тим, наскільки твердою була ця «межа», Далібард шукав способи тримати атоми «в темряві» якомога довше. Для цього він використав властивість реальних атомів, яка не враховується стандартною доплерівською теорією охолодження: реальні атомні стани — це не окремі енергетичні рівні, а набори підрівнів з однаковою енергією, але різними кутовими моментами (рис. 2).

Ці різні підрівні або стани імпульсу змінюють енергію в присутності магнітного поля (ефект Зеемана). Коли поле посилюється, в одних станах енергія збільшується, а в інших – зменшується. Потім ці ролі змінюються, коли напрямок поля змінюється. Ще одним ускладнюючим фактором є те, що поляризація лазерного світла визначає, які підрівні поглинатимуть фотони. У той час як одна поляризація переміщує атоми між станами таким чином, що збільшує кутовий момент, інша поляризація його зменшує.

У своєму теоретичному аналізі Далібард поєднав ці підрівні з магнітним полем, яке дорівнює нулю в певний момент і збільшується, коли атоми рухаються назовні. Роблячи це, він створив ситуацію, коли ефективна розбудова частоти лазера залежала від положення атомів. (Філліпс і його колеги використовували подібну конфігурацію для своєї магнітної пастки, але в набагато більшому полі.) Таким чином, атоми могли поглинати від конкретного лазера лише в певному положенні, де комбінація розстроювання, доплерівського зсуву та зееманівського зсуву була правильною ( малюнок 3).

Далібард сподівався, що обмеження здатності атомів поглинати світло таким чином може знизити їх мінімальну температуру. Після того, як він підрахував, що це не так, він відкинув цю ідею. «Я бачив, що це пастка, але я шукав не пастку, я шукав субдопплерівське охолодження», — пояснює він.

На цьому все могло б закінчитися, якби не було Дейв Прітчард, фізик з Массачусетського технологічного інституту, який відвідав Паризьку групу в 1986 році. Під час візиту Прітчард розповів про ідеї створення пасток більшого об’єму, а на завершення сказав, що буде раді іншим – кращим – пропозиціям.

«Я підійшов до Дейва і сказав: «Ну, у мене є ідея, і я не впевнений, що вона краща, але вона відрізняється від вашої», — згадує Далібард. Прітчард повернув ідею Далібарда до США, і в 1987 році він і Чу створили першу магнітооптичну пастку (МОТ) на основі аналізу Далібарда. Далібарду запропонували стати співавтором опублікованої статті, але він був щасливий просто отримати визнання в подяках.

Важко переоцінити, наскільки революційним був ТО для розробки лазерного охолодження. Це відносно простий пристрій, який потребує лише однієї частоти лазера та відносно слабкого магнітного поля для створення потужних пасток. Найкраще, однак, це його місткість. Перша повністю оптична пастка Чу та Ешкіна містила сотні атомів, перша магнітна пастка Філліпса — кілька тисяч, але перша магнітооптична пастка містила десять мільйонів атомів. Разом із запровадженням дешевих діодних лазерів Карлом Віманом в Університеті Колорадо (про що докладніше в частині 3 цієї серії), поява ТО викликала стрімке зростання кількості груп, які вивчають лазерне охолодження в усьому світі. Темпи досліджень мали прискоритися.

Закон Мерфі вимагає відпустки

Поки Прітчард і Чу створювали перший ТО, Філліпс і його колеги з Гейтерсбурга зіткнулися з надзвичайно незвичайною проблемою з оптичною патокою. Всупереч усім очікуванням експериментальної фізики, патока працювала надто добре. Фактично, він міг охолоджувати атоми, навіть якщо деякі з його променів були частково заблоковані.

Це відкриття сталося частково через те, що лазерне охолодження мало бути додатковим проектом Філліпса, тому його лабораторія була створена в підготовчій кімнаті, з’єднаній з машинним цехом. Щоб запобігти накопиченню пилу та жиру у вакуумній системі лабораторії, члени групи на ніч закривали вікна системи пластиком або фільтрувальним папером. «Іноді ви отримували справді спотворену на вигляд патоку», — згадує Пол Летт, який приєднався до групи в 1986 році, «і тоді ви зрозумієте, що, о, ми не витягли той шматок фільтрувального паперу. Дивно, що це взагалі спрацювало».

Ця дивовижна наполегливість змусила Летта наполягати на більш систематичному дослідженні, включаючи новий набір вимірювань температури. Метод «вивільнення та повторного захоплення», розроблений групою Bell Labs, мав відносно великі невизначеності, тому група Філліпса спробувала новий метод, який передбачав виявлення світла, що випромінюється, коли атоми перетинають промінь зонда, розміщений поблизу патоки. Коли патоку вимикали, атоми розліталися. Час, який їм знадобився, щоб досягти зонда, дасть пряме вимірювання їх швидкості, а отже, і температури.

Як і в усіх експериментах з лазерним охолодженням, лабораторія Філліпса розмістила багато лінз і дзеркал у крихітному просторі, і найзручнішим місцем для розміщення зонда виявилося трохи вище області патоки. Це повинно було добре працювати для атомів, які рухалися зі своєю доплерівською швидкістю, але коли Летт спробував експеримент, жоден атом не досяг зонда. Згодом він і його колеги перемістили зонд нижче меляси, і тоді вони побачили прекрасний сигнал. Була лише одна проблема: межа доплерівського охолодження становила 240 мікрокельвінів, але це вимірювання «часу прольоту» показало температуру 40 мікрокельвінів.

Цей результат, здається, порушує закон Мерфі, вислів про те, що «все, що може піти не так, станеться», тому вони не хотіли прийняти це негайно. Вони повторно виміряли температуру за допомогою кількох різних методів, у тому числі покращеного вивільнення та повторного захоплення, але вони продовжували отримувати той самий результат: атоми були набагато холоднішими, ніж це вважала теорія.

На початку 1988 року Філліпс і компанія звернулися до інших груп у згуртованому співтоваристві лазерних охолоджувачів, попросивши їх перевірити температуру у їхніх власних лабораторіях. Чу та Віман швидко підтвердили дивовижний результат: оптична патока не тільки працювала для охолодження атомів, вона працювала краще, ніж вважала теорія.

Підйом на пагорб

Паризька група ще не мала експериментальної програми, але Далібард і Коен-Таннуджі теоретично атакували проблему через той самий фактор реального світу, який Далібард використав для розробки MOT: численні внутрішні атомні стани. Основний стан натрію має п’ять підрівнів з однаковою енергією, і розподіл атомів між цими станами залежить від інтенсивності та поляризації світла. Цей процес розподілу, званий «оптичним накачуванням», був центральним у спектроскопічних дослідженнях, які проводилися в ENS у Парижі під керівництвом Коена-Таннуджі, тому його група була унікально підходящою для дослідження того, як ці додаткові стани можуть покращити лазерне охолодження.

Ключовою особливістю виявляється поляризація лазерного світла, яка в класичній фізиці відповідає осі коливального електричного поля світла. Поєднання шести зустрічних променів створює складний розподіл поляризацій, оскільки промені комбінуються по-різному в різних місцях оптичної патоки. Атоми постійно оптично накачуються в різні конфігурації, подовжуючи процес охолодження та дозволяючи знизити температури.

До літа 1988 року Далібард і Коен-Таннуджі розробили елегантну модель для пояснення субдоплерівського охолодження. (Чу незалежно один від одного прийшов до подібного результату, який, як він пригадує, отримав у поїзді між двома конференціями в Європі.) Вони розглядали спрощений атом лише з двома підрівнями основного стану, традиційно позначеними –½ і +½, освітленими двома лазерними променями, що поширюються в протилежні напрямки з протилежними лінійними поляризаціями. Це створює візерунок, який чергується між двома станами поляризації, позначеними σ^- і σ⁺.

Атом в області σ^- поляризація буде оптично перекачуватися в стан –½, який відчуває великий світловий зсув, що знижує його внутрішню енергію. Коли атом рухається до σ⁺ області поляризації, світловий зсув зменшується, і атом повинен сповільнитися, щоб компенсувати це, втрачаючи кінетичну енергію, щоб компенсувати збільшення внутрішньої енергії, як м’яч, що котиться вгору. Коли він досягає σ⁺ світло, оптичне накачування спричинить його перехід до стану +½, який має великий зсув світла. Атом не повертає енергію, яку він втратив, піднімаючись на «пагорб» із σ^- однак, тому він рухається повільніше, коли процес починається спочатку: світловий зсув зменшується, коли він рухається до наступного σ^- область, тому він втрачає енергію, потім оптично накачується до –½ і так далі.

Цей процес втрати енергії через постійне підйом на «пагорби» отримав яскраву назву: Далібард і Коен-Таннуджі назвали його Сізіфовим охолодженням на честь царя в грецькому міфі, який був засуджений провести вічність, штовхаючи камінь на пагорб, лише щоб камінь зісковзнув. і поверніться вниз (малюнок 4). Атоми в оптичній патоці опиняються в подібному скрутному становищі, завжди піднімаючись на пагорби та втрачаючи енергію лише для того, щоб оптичне накачування повернуло їх на дно та змусило їх почати все спочатку.

Нагороди Сізіфа

Теорія Сізіфового охолодження робить конкретні прогнози щодо мінімальних температур і того, як вони залежать від лазерного розстроювання та магнітного поля. Ці прогнози були швидко підтверджені в лабораторіях по всьому світу. Восени 1989 р Журнал Оптичного товариства Америки Б опублікував спеціальний випуск про лазерне охолодження містить експериментальні результати групи Філліпса в Гейтерсбурзі, теорію Сізіфа з Парижа та комбіновану експериментальну та теоретичну статтю групи Чу, яка на той час переїхала з Bell Labs до Стенфордського університету в Каліфорнії. Протягом більшої частини наступного десятиліття цей спеціальний випуск вважався остаточним джерелом для студентів, які прагнуть зрозуміти лазерне охолодження, і Коен-Таннуджі та Чу продовжили ділитися 1997 Нобелівська премія з фізики з Філіпсом.

Доведений до межі, ефект Сізіфа може охолоджувати атоми до точки, коли вони більше не мають достатньо енергії, щоб піднятися навіть на один «пагорб», і натомість обмежені крихітною областю однієї поляризації. Це утримання настільки ж жорстке, як і для захоплених іонів, що робить дві гілки лазерного охолодження добре симетричними. На початку 1990-х років як захоплені іони, так і нейтральні атоми можна було охолодити до режиму, коли їхня квантова природа стає очевидною: один іон у пастці або атом у «колодязі», створеному в Сізіфовому охолодженні, може існувати лише в певній дискретній енергії. держави. Ці дискретні стани незабаром були виміряні для обох систем; сьогодні вони є важливою частиною квантових обчислень з атомами та іонами.

Ще один інтригуючий напрямок дослідження стосувався самих колодязів. Вони утворюються під час інтерференції світлових променів і природним чином утворюються у великих масивах із відстанню в половину довжини хвилі лазера. Періодична природа цих так званих оптичних ґраток імітує мікроскопічну структуру твердої речовини, де атоми відіграють роль електронів у кристалічній ґратці. Ця подібність робить захоплені атоми корисною платформою для дослідження таких явищ фізики конденсованого середовища, як надпровідність.

Однак, щоб справді дослідити надпровідність з холодними атомами, решітка повинна бути завантажена атомами з вищою щільністю та навіть нижчою температурою, ніж це можна досягти за допомогою Сізіфового охолодження. Як ми побачимо в частині 3, для досягнення цього знадобиться ще один новий набір інструментів і методів і відкриється можливість створення не просто аналогів відомих систем, а й абсолютно нових станів матерії.

• Частина 3 з історії лазерного охолодження Чед Орзел незабаром буде опубліковано на Світ фізики

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. Автомобільні / електромобілі, вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• ChartPrime. Розвивайте свою торгову гру за допомогою ChartPrime. Доступ тут.
• BlockOffsets. Модернізація екологічної компенсаційної власності. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/colder-how-physicists-beat-the-theoretical-limit-for-laser-cooling-and-laid-the-foundations-for-a-quantum-revolution/