Fysikere udvikler hurtigere måde at lave Bose-Einstein kondensater

Atoms verden er en af ​​tilfældigt kaos og varme. Ved stuetemperaturer, en sky af atomer er et vanvittigt rod, med atomer, der lyner forbi hinanden og støder sammen, konstant ændrer deres retning og hastighed.

Sådanne tilfældige bevægelser kan sænkes, og stoppede endda helt, ved drastisk afkøling af atomerne. I et hår over absolut nul, tidligere vanvittige atomer forvandler sig til en næsten zombie-lignende tilstand, bevæger sig som en bølgelignende formation, i en kvanteform af stof kendt som et Bose-Einstein-kondensat.

Siden de første Bose-Einstein-kondensater blev produceret med succes i 1995 af forskere i Colorado og af Wolfgang Ketterle og kolleger på MIT, forskere har observeret deres mærkelige kvanteegenskaber for at få indsigt i en række fænomener, herunder magnetisme og superledning. Men afkøling af atomer til kondensater er langsom og ineffektiv, og mere end 99 procent af atomerne i den originale sky går tabt i processen.

Nu, MIT -fysikere har opfundet en ny teknik til at afkøle atomer til kondensater, som er hurtigere end den konventionelle metode og bevarer en stor brøkdel af de originale atomer. Teamet brugte en ny proces med laserkøling til at afkøle en sky af rubidiumatomer hele vejen fra stuetemperatur til 1 mikrokelvin, eller mindre end en milliontedel af en grad over det absolutte nul.

Med denne teknik, holdet var i stand til at afkøle 2, 000 atomer, og fra det, generere et kondensat på 1, 400 atomer, bevarer 70 procent af den oprindelige sky. Deres resultater offentliggøres i dag i tidsskriftet Videnskab .

"Folk forsøger at bruge Bose-Einstein-kondensater til at forstå magnetisme og superledning, samt at bruge dem til at lave gyroskoper og atomure, "siger Vladan Vuletić, Lester Wolfe professor i fysik ved MIT. "Vores teknik kunne begynde at fremskynde alle disse henvendelser."

Vuletić er seniorforfatter af papiret, som også omfatter første forfatter og forskningsassistent Jiazhong Hu, samt Zachary Vendeiro, Valentin Crépel, Alban Urvoy, og Wenlan Chen.

"En lille brøkdel og en stor ulempe"

Forskere har konventionelt skabt Bose-Einstein-kondensater gennem en kombination af laserkøling og fordampningskøling. Processen begynder generelt med at skinne laserstråler fra flere retninger på en sky af atomer. Fotonerne i strålen fungerer som små bordtennisbolde, springer meget større, atomer i basketballstørrelse, og bremse dem lidt ved hver kollision. Laserens fotoner virker også til at komprimere skyen af ​​atomer, begrænse deres bevægelse og afkøle dem i processen. Men forskere har fundet, at der er en grænse for, hvor meget en laser kan afkøle atomer:Jo mere tæt en sky bliver, jo mindre plads der er til, at fotoner kan spredes; i stedet begynder de at generere varme.

På dette tidspunkt i processen, forskere slukker typisk lyset og skifter til fordampningskøling, som Vuletić beskriver som "som at afkøle en kaffekop - du venter bare på, at de hotteste atomer slipper ud." Men dette er en langsom proces, der i sidste ende fjerner mere end 99 procent af de originale atomer for at bevare de atomer, der er kolde nok til at blive til Bose-Einstein-kondensater.

"Til sidst, du skal starte med mere end 1 million atomer for at få et kondensat bestående af kun 10, 000 atomer, "Vuletić siger." Det er en lille brøkdel og en stor ulempe. "

Tuning et twist

Vuletić og hans kolleger fandt en måde at komme uden om de første begrænsninger ved laserkøling, at afkøle atomer til kondensater ved hjælp af laserlys fra start til slut - meget hurtigere, atomkonserverende tilgang, som han beskriver som en "mangeårig drøm" blandt fysikere på området.

"Det, vi opfandt, var et nyt twist på metoden for at få den til at fungere ved høje [atomære] tætheder, "Siger Vuletić.

Forskerne anvendte konventionelle laserkølingsteknikker til at afkøle en sky af rubidiumatomer ned til lige over det punkt, hvor atomer bliver så komprimeret, at fotoner begynder at opvarme prøven.

De skiftede derefter til en metode kendt som Raman -køling, hvor de brugte et sæt med to laserstråler til at afkøle atomerne yderligere. De afstemte den første stråle, så dens fotoner, når de absorberes af atomer, vendte atomernes kinetiske energi til magnetisk energi. Atomer, Som svar, bremset og afkølet yderligere, og samtidig bevare deres oprindelige samlede energi.

Holdet målrettede derefter en anden laser mod den meget komprimerede sky, som blev indstillet på en sådan måde, at fotoner, når de absorberes af de langsommere atomer, fjernede atomernes samlede energi, køler dem endnu mere.

"I sidste ende fjerner fotoner systemets energi i en totrinsproces, "Vuletić siger." I et trin, du fjerner kinetisk energi, og i det andet trin, du fjerner den samlede energi og reducerer lidelsen, betyder, at du har afkølet det. "

Han forklarer, at ved at fjerne atomernes kinetiske energi, man gør i det væsentlige op med deres tilfældige bevægelser og omdanner atomerne til mere en uniform, kvanteadfærd, der ligner Bose-Einstein-kondensater. Disse kondensater kan i sidste ende tage form, når atomerne har mistet deres samlede energi og er afkølet tilstrækkeligt til at opholde sig i deres laveste kvantetilstande.

For at nå dette punkt, forskerne fandt, at de var nødt til at gå et skridt videre for helt at afkøle atomerne til kondensater. For at gøre det, de havde brug for at tune laserne væk fra atomresonans, hvilket betyder, at lyset lettere kunne flygte fra atomerne uden at skubbe dem rundt og opvarme dem.

"Atomer bliver næsten gennemsigtige for fotoner, "Siger Vuletić.

Det betyder, at indgående fotoner er mindre tilbøjelige til at blive absorberet af atomer, udløser vibrationer og varme. I stedet, hver foton hopper kun af et atom.

"Før, da en foton kom ind, det blev spredt af, sige, 10 atomer, før det kom ud, så det rystede 10 atomer, "Vuletić siger." Hvis du indstiller laseren væk fra resonans, nu har fotonet en god chance for at flygte, før det rammer et andet atom. Og det viser sig ved at øge lasereffekten, du kan bringe den originale kølehastighed tilbage. "

Teamet fandt ud af, at med deres laserkølingsteknik, de var i stand til at afkøle rubidiumatomer fra 200 mikrokelvin til 1 mikrokelvin på bare 0,1 sekunder, i en proces, der er 100 gange hurtigere end den konventionelle metode. Hvad mere er, gruppens sidste prøve af Bose-Einstein-kondensater indeholdt 1, 400 atomer, fra en original sky på 2, 000, bevarelse af en meget større brøkdel af kondenserede atomer sammenlignet med eksisterende metoder.

"Da jeg var kandidatstuderende, folk havde prøvet mange forskellige metoder bare ved hjælp af laserkøling, og det virkede ikke, og folk gav op. Det var en mangeårig drøm at gøre denne proces enklere, hurtigere, mere robust, "Siger Vuletić." Så vi er ret spændte på at prøve vores tilgang til nye atomer, og vi tror, ​​vi kan få det til at få det til at lave 1, 000 gange større kondensater i fremtiden. "