Lạnh hơn: làm thế nào các nhà vật lý đánh bại giới hạn lý thuyết của việc làm mát bằng laser và đặt nền móng cho một cuộc cách mạng lượng tử – Thế Giới Vật Lý

Vào cuối những năm 1960, một cộng đồng nhỏ các nhà nghiên cứu bắt đầu sử dụng lực từ ánh sáng để đẩy các vật nhỏ đi xung quanh. Trong thập kỷ tiếp theo, lĩnh vực này mở rộng sang lĩnh vực làm mát bằng laser, một kỹ thuật mạnh mẽ khai thác Dịch chuyển Doppler để tạo ra một lực chỉ có thể làm vật thể chậm lại chứ không bao giờ làm chúng tăng tốc độ. Nhiều năm trôi qua, những thí nghiệm làm mát bằng laser mới này đã phát triển theo hai con đường song song – các ion và nguyên tử – được khám phá trong phần 1 của loạt bài này: “Lạnh: cách các nhà vật lý học cách thao tác và di chuyển các hạt bằng cách làm mát bằng laser”.

Về nhiều mặt, các ion đã có lợi thế sớm. Do mang điện tích, chúng chịu tác dụng của lực điện từ đủ mạnh để cho phép chúng bị mắc vào bẫy điện từ ở nhiệt độ cao và được làm lạnh bằng tia laser ở bước sóng cực tím. Đến năm 1981, những người bẫy ion đã cải tiến kỹ thuật này đến mức họ có thể bẫy và phát hiện các ion riêng lẻ và thực hiện phép đo quang phổ trên chúng với độ chính xác chưa từng có.

Ngược lại, các nguyên tử cần phải được làm chậm lại trước khi chúng có thể bị giữ lại bởi các lực yếu hơn do ánh sáng và từ trường tác dụng. Tuy nhiên, đến năm 1985 Bill Phillips và các đồng nghiệp tại Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ ở Gaithersburg, Maryland, đã sử dụng ánh sáng để làm chậm một chùm nguyên tử natri gần như dừng lại, sau đó nhốt chúng vào một bẫy từ. Ngoài ra, thách thức chính đối với những người muốn trở thành những người thuần hóa nguyên tử dường như liên quan đến việc xây dựng công trình này để làm cho việc bẫy các nguyên tử trung tính hiệu quả hơn và đẩy lùi các giới hạn của chính quá trình làm mát.

Cả hai dự án đều thành công ngoài sự mong đợi của mọi người. Và như chúng ta đã thấy ở phần 1, nguồn gốc của sự thành công này bắt nguồn từ Arthur Ashkin at Phòng thí nghiệm chuông.

Ý tưởng hay, thực hiện chưa đầy đủ

Lần cuối cùng chúng tôi gặp Ashkin là vào năm 1970 và ông vừa phát triển được kỹ thuật “nhíp quang học” giúp ông giành được giải Nobel gần 50 năm sau. Vào cuối những năm 1970, ông đang làm việc với các đồng nghiệp ở Bell Labs về các thí nghiệm liên quan đến chùm nguyên tử. “Rick Freeman John Bjorkholm, đồng nghiệp lúc đó của Ashkin, nhớ lại.

Bằng cách chồng chùm tia laser với chùm nguyên tử, Ashkin và Bjorkholm cho thấy có thể tập trung hoặc khử tiêu điểm các nguyên tử bằng cách điều chỉnh tần số ánh sáng. Khi tia laser được điều chỉnh sang màu đỏ – ở tần số thấp hơn một chút so với tần số mà các nguyên tử “muốn” hấp thụ – sự tương tác giữa các nguyên tử và ánh sáng sẽ làm giảm năng lượng bên trong của nguyên tử (“sự dịch chuyển ánh sáng”), hút các nguyên tử vào chùm tia laser. Khi tia laser chuyển sang màu xanh lam, các nguyên tử bị đẩy ra ngoài.

Ashkin đã có một số ý tưởng để biến hiện tượng này thành một phương pháp “toàn quang học” để bẫy các nguyên tử (nghĩa là không sử dụng từ trường mà nhóm Phillips sử dụng). Thật không may, Ashkin và Bjorkholm đã gặp khó khăn trong việc thực hiện nó vì chùm nguyên tử của Freeman được chế tạo bằng các cửa sổ bằng tấm mica nên không thể chịu được áp suất đủ thấp. Các nguyên tử, phân tử rò rỉ từ bên ngoài vào không bị ảnh hưởng bởi tia laser làm mát và kết quả là khi va chạm với các nguyên tử trong chùm tia, chúng đã đẩy các nguyên tử mục tiêu ra khỏi bẫy. Sau một vài năm có kết quả đáng thất vọng, ban lãnh đạo Bell Labs không hài lòng với các thí nghiệm và thúc đẩy Ashkin theo đuổi những thứ khác.

Người bơi trong chất lỏng nhớt

Vào khoảng thời gian này, một nhà nghiên cứu trẻ với danh tiếng (tự mô tả) là “người có thể thực hiện được những thí nghiệm khó” đã chuyển đến văn phòng gần Ashkin's ở cơ sở Holmdel của Bell Labs. Tên anh ấy là Steve Chu, và anh ấy bắt đầu quan tâm đến những ý tưởng của Ashkin. Họ cùng nhau chế tạo một hệ thống chân không siêu cao thích hợp cho việc làm mát và bẫy nguyên tử, cùng với một hệ thống làm chậm các nguyên tử natri bằng cách quét nhanh tần số laser để bù cho sự thay đổi độ lệch Doppler. Kỹ thuật thứ hai được gọi là “làm mát chirp”; thật trùng hợp ngẫu nhiên, các nhà khoa học đã phát triển một trong những công nghệ chủ chốt của nó cũng có mặt tại Holmdel.

Tại thời điểm này, Chu đề nghị họ làm lạnh trước các nguyên tử bằng cách chiếu sáng chúng bằng ba cặp chùm tia laser truyền ngược vuông góc, tất cả đều được điều chỉnh đến tần số ngay dưới tần số chuyển tiếp của nguyên tử như đã thảo luận trong phần 1. Cấu hình này cung cấp lực làm mát trong cả ba chiều cùng một lúc: một nguyên tử chuyển động lên nhìn thấy chùm tia laser Doppler đi xuống dịch chuyển lên, hấp thụ các photon và chậm lại; một nguyên tử chuyển động sang trái sẽ thấy các photon trong chùm tia hướng sang phải dịch chuyển lên trên, v.v. Cho dù các nguyên tử di chuyển theo cách nào, chúng cũng cảm nhận được một lực chống lại chuyển động của chúng. Sự tương đồng với hoàn cảnh khó khăn của một người bơi trong chất lỏng nhớt khiến Chu gọi nó là “mật đường quang học” (hình 1).

Nhóm Bell Labs đã trình diễn mật quang học vào năm 1985, thu thập hàng nghìn nguyên tử từ chùm tia làm mát bằng chirp. Đúng như tên gọi, mật đường quang học rất “dính”, giữ các nguyên tử trong các chùm chồng lên nhau trong khoảng XNUMX/XNUMX giây (thực tế là vô tận trong vật lý nguyên tử) trước khi chúng lang thang ra ngoài. Khi ở trong vùng mật rỉ, các nguyên tử liên tục hấp thụ và phát lại ánh sáng từ các tia laser làm mát nên chúng xuất hiện dưới dạng đám mây phát sáng khuếch tán. Tổng lượng ánh sáng cung cấp một thước đo dễ dàng về số lượng nguyên tử.

Ashkin, Chu và các cộng tác viên của họ cũng có thể ước tính nhiệt độ của các nguyên tử. Họ thực hiện điều này bằng cách đo xem có bao nhiêu nguyên tử trong mật đường, tắt đèn trong thời gian ngắn, sau đó bật lại và đo lại con số. Trong khoảng tối, đám mây nguyên tử sẽ giãn nở và một số nguyên tử sẽ thoát khỏi vùng chùm mật đường. Tốc độ thoát này cho phép đội nghiên cứu tính toán nhiệt độ của các nguyên tử: khoảng 240 microkelvin – phù hợp với mức tối thiểu dự kiến ​​đối với các nguyên tử natri làm mát bằng laser.

Biến mật thành bẫy

Mặc dù có độ dính nhưng mật quang không phải là một cái bẫy. Mặc dù nó làm các nguyên tử chậm lại nhưng một khi các nguyên tử trôi đến rìa của chùm tia laser, chúng có thể thoát ra. Ngược lại, một cái bẫy cung cấp một lực phụ thuộc vào vị trí, đẩy các nguyên tử trở lại khu vực trung tâm.

Cách đơn giản nhất để tạo bẫy là sử dụng chùm tia laser tập trung chặt chẽ, tương tự như nhíp quang học mà Ashkin đã phát triển để bẫy các vật thể cực nhỏ. Trong khi thể tích của tiêu điểm laser là một phần rất nhỏ của thể tích mật rỉ, Ashkin, Bjorkholm và Chu (độc lập) nhận ra rằng một số lượng đáng kể các nguyên tử tuy nhiên có thể tích tụ trong một cái bẫy như vậy thông qua sự khuếch tán ngẫu nhiên trong mật rỉ. Khi họ thêm một chùm tia laser bẫy riêng biệt vào mật đường, kết quả rất hứa hẹn: một điểm sáng nhỏ xuất hiện trong đám mây mật rỉ khuếch tán, đại diện cho hàng trăm nguyên tử bị mắc kẹt.

Tuy nhiên, vượt ra ngoài điều đó lại đặt ra những thách thức về mặt kỹ thuật. Vấn đề là, sự dịch chuyển các mức năng lượng nguyên tử khiến cho khả năng bẫy quang đơn chùm có thể cản trở quá trình làm mát: khi laser bẫy làm giảm năng lượng ở trạng thái cơ bản của nguyên tử, nó làm thay đổi độ lệch tần số hiệu dụng của laser làm mát. Việc sử dụng tia laser thứ hai và xen kẽ giữa làm mát và bẫy sẽ cải thiện số lượng nguyên tử có thể bị bẫy, nhưng lại gây thêm phức tạp. Để đạt được tiến bộ hơn nữa, các nhà vật lý sẽ cần những nguyên tử lạnh hơn hoặc một cái bẫy tốt hơn.

Kết nối tiếng Pháp

Cả hai đều ở trên đường chân trời. Claude Cohen-Tannoudji và nhóm của ông tại École Normale Supérieure (ENS) ở Paris chủ yếu giải quyết vấn đề làm mát bằng laser từ khía cạnh lý thuyết. Jean Dalibard, khi đó là một tiến sĩ mới được thành lập trong nhóm, nhớ lại việc nghiên cứu các phân tích lý thuyết của Ashkin và Jim Gordon (“một bài báo tuyệt vời”) và bởi bộ đôi Liên Xô của Vladilen Letokhov và Vladimir Minogin, người (cùng với Boris D Pavlik) đã đạt được nhiệt độ tối thiểu có thể đạt được bằng cách làm mát bằng laser vào năm 1977.

Như chúng ta đã thấy trong phần 1, nhiệt độ tối thiểu này được gọi là giới hạn làm mát Doppler, và nó bắt nguồn từ những “cú hích” ngẫu nhiên xảy ra khi các nguyên tử phát lại photon sau khi hấp thụ ánh sáng từ một trong các chùm làm mát. Tò mò về “giới hạn” này thực sự vững chắc đến mức nào, Dalibard đã tìm cách giữ các nguyên tử “ở trong bóng tối” càng nhiều càng tốt. Để làm điều này, ông đã khai thác một tính chất của các nguyên tử thực mà lý thuyết làm mát Doppler tiêu chuẩn không nắm bắt được: các trạng thái nguyên tử thực không phải là các mức năng lượng đơn lẻ, mà là tập hợp các mức năng lượng phụ có cùng năng lượng nhưng mômen góc khác nhau (hình 2).

Các cấp độ phụ hoặc trạng thái động lượng khác nhau này thay đổi năng lượng khi có từ trường (hiệu ứng Zeeman). Khi trường trở nên mạnh hơn, một số trạng thái năng lượng tăng lên, trong khi những trạng thái khác giảm đi. Những vai trò này sau đó sẽ được đảo ngược khi hướng của trường đảo ngược. Một yếu tố phức tạp hơn nữa là sự phân cực của ánh sáng laser quyết định mức độ phụ nào sẽ hấp thụ photon. Trong khi một sự phân cực di chuyển các nguyên tử giữa các trạng thái theo cách làm tăng xung lượng góc thì một sự phân cực khác lại làm giảm nó.

Trong phân tích lý thuyết của mình, Dalibard đã kết hợp các cấp độ phụ này với từ trường bằng 3 tại một số điểm và tăng lên khi các nguyên tử di chuyển ra ngoài. Khi làm như vậy, ông đã tạo ra một tình huống trong đó độ lệch tần số laser hiệu quả phụ thuộc vào vị trí của các nguyên tử. (Phillips và các đồng nghiệp đã sử dụng cấu hình tương tự cho bẫy từ của họ, nhưng ở trường cao hơn nhiều.) Do đó, các nguyên tử chỉ có thể hấp thụ từ một tia laser cụ thể ở vị trí cụ thể nơi mà sự kết hợp giữa độ lệch, dịch chuyển Doppler và dịch chuyển Zeeman là vừa phải ( hình XNUMX).

Dalibard hy vọng rằng việc hạn chế khả năng hấp thụ ánh sáng của các nguyên tử theo cách này có thể làm giảm nhiệt độ tối thiểu của chúng. Sau khi tính toán rằng điều đó sẽ không xảy ra, anh ấy đã loại bỏ ý tưởng đó. “Tôi thấy đó là một cái bẫy, nhưng tôi không tìm kiếm một cái bẫy, tôi đang tìm kiếm sự làm mát dưới Doppler,” anh giải thích.

Đó có thể là nơi mọi chuyện kết thúc nếu không có Dave Pritchard, một nhà vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts đã đến thăm nhóm Paris vào năm 1986. Trong chuyến thăm, Pritchard đã nói chuyện về các ý tưởng chế tạo bẫy có thể tích lớn hơn, và kết thúc bằng việc nói rằng ông sẽ hoan nghênh những đề xuất khác - tốt hơn -.

Dalibard nhớ lại: “Tôi đến gặp Dave và nói 'Chà, tôi có một ý tưởng và tôi không chắc nó tốt hơn nhưng nó khác với ý tưởng của bạn. Pritchard mang ý tưởng của Dalibard về Mỹ, và vào năm 1987, ông và Chu đã chế tạo bẫy quang từ (MOT) đầu tiên dựa trên phân tích của Dalibard. Dalibard đã được đề nghị đồng tác giả của bài báo kết quả nhưng rất vui khi được công nhận trong phần xác nhận.

Thật khó để phóng đại mức độ mang tính cách mạng của Bộ GTVT đối với sự phát triển của hệ thống làm mát bằng laser. Đây là một thiết bị tương đối đơn giản, chỉ cần một tần số laser duy nhất và từ trường tương đối yếu để tạo ra bẫy mạnh. Tuy nhiên, điều tốt nhất là khả năng của nó. Bẫy quang học đầu tiên của Chu và Ashkin chứa hàng trăm nguyên tử, bẫy từ tính đầu tiên của Phillips chứa vài nghìn nguyên tử, nhưng bẫy quang từ đầu tiên chứa mười triệu nguyên tử. Cùng với sự ra đời của laser diode giá rẻ của Carl Wieman tại Đại học Colorado (sẽ trình bày chi tiết hơn trong phần 3 của loạt bài này), sự ra đời của Bộ GTVT đã gây ra sự bùng nổ nhanh chóng về số lượng các nhóm nghiên cứu về làm mát bằng laser trên toàn thế giới. Tốc độ nghiên cứu sắp tăng tốc.

Định luật Murphy có một kỳ nghỉ

Trong khi Pritchard và Chu đang xây dựng Bộ GTVT đầu tiên, Phillips và các đồng nghiệp Gaithersburg của ông gặp phải một vấn đề cực kỳ bất thường với mật rỉ quang học của họ. Trái ngược với mọi kỳ vọng của vật lý thực nghiệm, mật đường có tác dụng quá tốt. Trên thực tế, nó có thể làm mát các nguyên tử ngay cả khi một số chùm tia của nó bị chặn một phần.

Khám phá này xuất hiện một phần vì việc làm mát bằng laser được cho là dự án phụ của Phillips, vì vậy phòng thí nghiệm của ông được bố trí trong một phòng chuẩn bị kết nối với một xưởng máy. Để ngăn bụi và dầu mỡ tích tụ trên hệ thống chân không của phòng thí nghiệm, các thành viên trong nhóm sẽ che cửa sổ của hệ thống bằng nhựa hoặc giấy lọc vào ban đêm. “Đôi khi bạn sẽ thấy mật đường trông rất méo mó,” nhớ lại Paul Lett, người đã gia nhập nhóm vào năm 1986, “và sau đó bạn sẽ nhận ra rằng, ồ, chúng tôi đã không lấy mảnh giấy lọc đó ra. Điều đáng chú ý là nó đã có tác dụng.”

Sự kiên trì đáng ngạc nhiên này đã khiến Lett thúc đẩy một nghiên cứu có hệ thống hơn, bao gồm một loạt phép đo nhiệt độ mới. Phương pháp “thả và thu lại” do nhóm Bell Labs phát triển có sai số tương đối lớn, vì vậy nhóm của Phillips đã thử một phương pháp mới liên quan đến việc phát hiện ánh sáng phát ra khi các nguyên tử đi qua chùm tia thăm dò đặt gần mật đường. Khi tắt mật, các nguyên tử sẽ bay đi. Thời gian chúng tiếp cận tàu thăm dò sẽ cho biết trực tiếp vận tốc và nhiệt độ của chúng.

Giống như tất cả các thí nghiệm làm mát bằng laser, phòng thí nghiệm của Phillips đã đặt rất nhiều thấu kính và gương vào một không gian nhỏ, và vị trí thuận tiện nhất để đặt tàu thăm dò hóa ra là hơi cao hơn vùng mật đường. Điều này lẽ ra sẽ hoạt động tốt đối với các nguyên tử chuyển động ở tốc độ giới hạn Doppler của chúng, nhưng khi Lett thử thí nghiệm, không có nguyên tử nào chạm tới đầu dò. Cuối cùng, anh và các đồng nghiệp đã chuyển vị trí của tàu thăm dò xuống bên dưới mật đường, lúc đó họ nhìn thấy một tín hiệu đẹp. Chỉ có một vấn đề: giới hạn làm mát Doppler là 240 microkelvin, nhưng phép đo “thời gian bay” này cho thấy nhiệt độ là 40 microkelvin.

Kết quả này dường như đã vi phạm định luật Murphy, câu châm ngôn “cái gì có thể sai thì sẽ xảy ra”, nên họ chưa sẵn sàng chấp nhận ngay. Họ đã đo lại nhiệt độ bằng nhiều kỹ thuật khác nhau, bao gồm cả kỹ thuật giải phóng và thu hồi được cải tiến, nhưng họ vẫn nhận được kết quả tương tự: các nguyên tử lạnh hơn nhiều so với lý thuyết cho thấy.

Đầu năm 1988, Phillips và công ty đã liên hệ với các nhóm khác trong cộng đồng các máy làm mát bằng laser, yêu cầu họ kiểm tra nhiệt độ trong phòng thí nghiệm của chính họ. Chu và Wieman nhanh chóng xác nhận kết quả đáng ngạc nhiên: mật quang học không chỉ có tác dụng làm lạnh các nguyên tử mà nó còn hoạt động tốt hơn lý thuyết cho thấy.

Leo lên một ngọn đồi

Nhóm Paris chưa có chương trình thử nghiệm, nhưng Dalibard và Cohen-Tannoudji đã giải quyết vấn đề về mặt lý thuyết thông qua cùng một yếu tố trong thế giới thực mà Dalibard đã sử dụng để phát triển Bộ GTVT: nhiều trạng thái nguyên tử bên trong. Trạng thái cơ bản của natri có năm mức phụ có cùng năng lượng và sự phân bố các nguyên tử giữa các trạng thái đó phụ thuộc vào cường độ và độ phân cực của ánh sáng. Quá trình phân phối này, được gọi là “bơm quang học”, là trọng tâm của nghiên cứu quang phổ diễn ra tại ENS ở Paris dưới sự hướng dẫn của Cohen-Tannoudji, vì vậy nhóm của ông rất phù hợp để khám phá cách các trạng thái bổ sung này có thể cải thiện quá trình làm mát bằng laser.

Đặc điểm then chốt hóa ra là sự phân cực của ánh sáng laser, mà trong vật lý cổ điển tương ứng với trục của điện trường dao động của ánh sáng. Sự kết hợp của sáu chùm tia truyền ngược chiều tạo ra sự phân bố phân cực phức tạp khi các chùm kết hợp theo những cách khác nhau ở những vị trí khác nhau trong mật rỉ quang học. Các nguyên tử liên tục được bơm quang học vào các cấu hình khác nhau, kéo dài quá trình làm mát và cho phép nhiệt độ thấp hơn.

Vào mùa hè năm 1988, Dalibard và Cohen-Tannoudji đã nghĩ ra một mô hình hay để giải thích sự làm mát dưới Doppler. (Chu đã độc lập đi đến một kết quả tương tự, kết quả mà ông nhớ lại là mình đã đạt được trên một chuyến tàu giữa hai hội nghị ở Châu Âu.) Họ xem xét một nguyên tử đơn giản hóa chỉ có hai cấp độ phụ ở trạng thái cơ bản, được dán nhãn theo truyền thống là –½ và +½, được chiếu sáng bởi hai chùm tia laze truyền trong hướng ngược nhau với độ phân cực tuyến tính ngược nhau. Điều này tạo ra một mẫu xen kẽ giữa hai trạng thái phân cực, được gắn nhãn σ^– và σ⁺.

Một nguyên tử ở vùng σ^– sự phân cực sẽ được bơm quang học vào trạng thái –½, trạng thái này trải qua một sự dịch chuyển ánh sáng lớn làm giảm năng lượng bên trong của nó. Khi nguyên tử chuyển động về phía σ⁺ vùng phân cực, độ dịch chuyển ánh sáng giảm và nguyên tử phải chuyển động chậm lại để bù lại, mất đi động năng để bù cho nội năng tăng lên, giống như một quả bóng lăn lên đồi. Khi nó đạt tới σ⁺ ánh sáng, bơm quang sẽ khiến nó chuyển sang trạng thái +½, trạng thái này có độ dịch chuyển ánh sáng lớn. Nguyên tử không lấy lại được năng lượng mà nó đã mất khi leo lên “ngọn đồi” ra khỏi σ^– tuy nhiên, vùng này sẽ chuyển động chậm hơn khi quá trình bắt đầu lại: độ dịch chuyển ánh sáng giảm khi nó di chuyển về phía σ tiếp theo^– vùng, do đó nó mất năng lượng, sau đó bơm quang học tới –½, v.v.

Quá trình tiêu hao năng lượng do liên tục leo lên “những ngọn đồi” này đã mang đến một cái tên sống động: Dalibard và Cohen-Tannoudji gọi nó là sự làm mát của Sisyphus, theo tên vị vua trong thần thoại Hy Lạp, người bị kết án phải vĩnh viễn đẩy một tảng đá lên đồi chỉ để tảng đá trượt chân. đi và quay trở lại phía dưới (hình 4). Các nguyên tử trong mật rỉ quang học cũng rơi vào tình trạng khó khăn tương tự, luôn leo đồi và mất năng lượng chỉ để bơm quang học đưa chúng xuống đáy và buộc chúng phải bắt đầu lại từ đầu.

Phần thưởng của Sisyphus

Lý thuyết đằng sau việc làm mát Sisyphus đưa ra những dự đoán cụ thể về nhiệt độ tối thiểu và cách chúng phụ thuộc vào độ lệch của tia laser và từ trường. Những dự đoán này nhanh chóng được xác nhận tại các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới. Vào mùa thu năm 1989 Tạp chí của Hiệp hội Quang học Hoa Kỳ B đã xuất bản một số đặc biệt về làm mát bằng laser chứa các kết quả thực nghiệm từ nhóm của Phillips tại Gaithersburg, lý thuyết Sisyphus từ Paris, và một bài báo lý thuyết và thực nghiệm kết hợp từ nhóm của Chu, sau đó đã chuyển từ Bell Labs đến Đại học Stanford ở California. Trong hầu hết thập kỷ tiếp theo, số báo đặc biệt này được coi là nguồn thông tin chính xác cho những sinh viên muốn tìm hiểu về làm mát bằng laser, Cohen-Tannoudji và Chu tiếp tục chia sẻ quan điểm Giải Nobel Vật lý năm 1997 với Phillips.

Khi đạt đến giới hạn, hiệu ứng Sisyphus có thể làm lạnh các nguyên tử đến mức chúng không còn đủ năng lượng để leo lên dù chỉ một “ngọn đồi” đơn lẻ và thay vào đó bị giới hạn trong một vùng nhỏ bé của một phân cực duy nhất. Sự giam cầm này chặt chẽ như đối với các ion bị bẫy, làm cho hai nhánh làm mát bằng laser trở nên đối xứng độc đáo. Vào đầu những năm 1990, các ion bị bẫy và các nguyên tử trung tính đều có thể được làm lạnh đến một chế độ mà bản chất lượng tử của chúng trở nên rõ ràng: một ion đơn lẻ trong bẫy hoặc một nguyên tử trong “giếng” được tạo ra trong quá trình làm mát Sisyphus, chỉ có thể tồn tại ở một mức năng lượng riêng biệt nào đó. Những trạng thái. Những trạng thái riêng biệt này đã sớm được đo lường cho cả hai hệ thống; ngày nay, chúng là một phần thiết yếu của điện toán lượng tử với các nguyên tử và ion.

Một con đường nghiên cứu hấp dẫn hơn nữa liên quan đến chính các giếng nước. Chúng được hình thành khi các chùm ánh sáng giao thoa và xuất hiện một cách tự nhiên thành các mảng lớn với khoảng cách bằng một nửa bước sóng laser. Bản chất tuần hoàn của những cái gọi là mạng quang này bắt chước cấu trúc vi mô của vật chất rắn, với các nguyên tử đóng vai trò là electron trong mạng tinh thể. Sự giống nhau này làm cho các nguyên tử bị bẫy trở thành một nền tảng hữu ích để khám phá các hiện tượng vật lý vật chất ngưng tụ như tính siêu dẫn.

Tuy nhiên, để thực sự khám phá tính siêu dẫn với các nguyên tử lạnh, mạng phải được nạp các nguyên tử ở mật độ cao hơn và nhiệt độ thậm chí còn thấp hơn mức có thể đạt được khi làm mát Sisyphus. Như chúng ta sẽ thấy trong phần 3, để đạt được điều đó sẽ cần thêm một bộ công cụ và kỹ thuật mới nữa, đồng thời sẽ mở ra khả năng tạo ra không chỉ các hệ thống tương tự của các hệ thống đã biết mà còn cả các trạng thái vật chất hoàn toàn mới.

• Phần 3 về lịch sử làm mát bằng laser Chad Orzel sẽ sớm được công bố vào ngày Thế giới vật lý

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Ô tô / Xe điện, Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• ChartPrime. Nâng cao trò chơi giao dịch của bạn với ChartPrime. Truy cập Tại đây.
• BlockOffsets. Hiện đại hóa quyền sở hữu bù đắp môi trường. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/colder-how-physicists-beat-the-theoretical-limit-for-laser-cooling-and-laid-the-foundations-for-a-quantum-revolution/