Mod en kontinuerlig atomlaser

Lige siden dens opfindelse, laseren har været et uvurderligt værktøj i fysik. Det forventes, at en atomlaser - med lysbølgerne erstattet af atomernes kvantebølger - kunne have tilsvarende vigtige anvendelser, for eksempel ved at konstruere ultrapræcise ure. Et forskerhold ledet af UvA-forsker Florian Schreck har nu gjort vigtige fremskridt hen imod skabelsen af ​​den første kontinuerlige atomlaser. Holdets resultater blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve tidligere i denne uge.

I en almindelig laser, lysbølger danner en såkaldt kohærent tilstand:når disse bølger kommer ud af laseren, de svinger alle på nøjagtig samme måde, med samme frekvens og samme fase. Kvantemekanikken fortæller os, at de partikler, vi er lavet af, kvarker, elektroner og endda hele atomer, har også bølgelignende egenskaber. Men kan atomer også sættes i en sammenhængende tilstand? Eller kan der bygges en laser, hvor vi i stedet for lys skinner med atomer?

At det teoretiske svar på dette spørgsmål er 'ja' er et faktum, som enhver fysikstuderende nemt kan bevise. Faktisk, at have sådan en anordning ville være yderst nyttig:atomernes kollektive vibrationer kunne f.eks. bruges til at måle ultrapræcise atomure. Imidlertid, at omdanne teorien til en faktisk fungerende enhed er ikke så let, som det lyder. Indtil nu, atomlasere er blevet til ved at udvinde en stråle af atomer fra et såkaldt Bose-Einstein-kondensat, en gassky ved meget lav temperatur, hvor alle atomer er i samme kvantebølgetilstand. Imidlertid, at sætte atomerne i samme tilstand løser kun en del af problemet. Til de fleste anvendelser af en atomlaser, de skal arbejde kontinuerligt. Den virkelige udfordring er derfor at bringe atomerne i samme bølgetilstand hurtigt nok, således at atomlaseren har adgang til en kontinuerlig forsyning af disse sammenhængende partikler.

Oprettelse af et Bose-Einstein-kondensat involverer typisk afkøling af en gas i flere trin over ti sekunder. Imidlertid, den udtrukne atomlaserstråle varer kun så længe der forbliver atomer i kondensatet, typisk en meget kortere tid på kun brøkdele af et sekund. Efter det splitsekund, der skal laves en ny forsyning, hvilket igen tager snesevis af sekunder – og så videre.

Schreck og hans team, postdoc Benjamin Pasquiou og ph.d.-studerende Shayne Bennetts og Chun-Chia Chen, foreslå nu at opnå en kontinuerlig forsyning ved at adskille de forskellige afkølingstrin i rummet i stedet for tid. Hvert trin finder sted på et andet sted:Atomerne køles ned af almindelige lasere, mens de er på vej til det sted, hvor den endelige atomlaserstråle vil blive skabt. Holdet formår at gøre dette ved at gøre smart brug af strontiums særlige egenskaber, et element med den helt rigtige elektroniske struktur til at blive kølet langsomt ned, trin for trin, mens den er "på farten".

Ved at bruge deres metoder, Schreck og samarbejdspartnere er nu lykkedes med at implementere de første faser af den kontinuerlige køling, fører til den permanente eksistens af en gassky, der er meget koldere og meget tættere end i noget tidligere forsøg. De viste yderligere, at deres skema giver nok kolde atomer til at være kompatible med skabelsen af ​​et kontinuerligt eksisterende Bose Einstein-kondensat. Det sidste trin er naturligvis at lave en atomlaser ved hjælp af dette permanente kondensat - et trin som ifølge Schreck skulle finde sted inden for det næste år. Det ville opfylde hans drøm:at skabe en atomlaser, der aldrig behøver at stoppe for at genoplade.