At bringe atomer til stilstand:Forskere miniaturiserer laserkøling

Det er fedt at være lille. Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har miniaturiseret de optiske komponenter, der kræves for at køle atomer ned til et par tusindedele af en grad over det absolutte nulpunkt, det første trin i at anvende dem på mikrochips til at drive en ny generation af superpræcise atomure, aktivere navigation uden GPS, og simulere kvantesystemer.

At afkøle atomer svarer til at bremse dem, hvilket gør dem meget lettere at studere. Ved stuetemperatur, atomer suser gennem luften med næsten lydens hastighed, cirka 343 meter i sekundet. Den hurtige, tilfældigt bevægelige atomer har kun flygtige interaktioner med andre partikler, og deres bevægelse kan gøre det svært at måle overgange mellem atomenerginiveauer. Når atomer går langsommere til at kravle – omkring 0,1 meter i sekundet – kan forskerne måle partiklernes energiovergange og andre kvanteegenskaber nøjagtigt nok til at kunne bruges som referencestandarder i et utal af navigations- og andre enheder.

I mere end to årtier har forskere har afkølet atomer ved at bombardere dem med laserlys, en bedrift, som NIST-fysiker Bill Phillips delte 1997 Nobelprisen i fysik for. Selvom laserlys normalt ville stimulere atomer, får dem til at bevæge sig hurtigere, hvis lysets frekvens og andre egenskaber vælges omhyggeligt, det modsatte sker. Ved at ramme atomerne, laserfotonerne reducerer atomernes momentum, indtil de bevæger sig langsomt nok til at blive fanget af et magnetfelt.

Men for at forberede laserlyset, så det har egenskaberne til at afkøle atomer, kræver det typisk en optisk samling så stor som et spisebord. Det er et problem, fordi det begrænser brugen af ​​disse ultrakølede atomer uden for laboratoriet, hvor de kunne blive et nøgleelement i meget nøjagtige navigationssensorer, magnetometre og kvantesimuleringer.

Nu har NIST -forsker William McGehee og hans kolleger udtænkt en kompakt optisk platform, kun omkring 15 centimeter (5,9 tommer) lang, der køler og fanger gasformige atomer i et område på 1 centimeter bredt. Selvom der er bygget andre miniaturekølesystemer, dette er den første, der udelukkende er afhængig af flad, eller plan, optik, som er nemme at masseproducere.

"Dette er vigtigt, da det viser en vej til fremstilling af rigtige enheder og ikke kun små versioner af laboratorieforsøg, "sagde McGehee. Det nye optiske system, mens den stadig er omkring 10 gange for stor til at passe på en mikrochip, er et vigtigt skridt i retning af at anvende ultrakølede atomer i et væld af kompakte, chipbaseret navigation og kvanteenheder uden for en laboratorieindstilling. Forskere fra Joint Quantum Institute, et samarbejde mellem NIST og University of Maryland i College Park, sammen med forskere fra University of Marylands Institute for Research in Electronics and Applied Physics, også bidraget til undersøgelsen.

Apparatet, beskrevet online i New Journal of Physics, består af tre optiske elementer. Først, lyset lanceres fra et optisk integreret kredsløb ved hjælp af en enhed kaldet en ekstremtilstandskonverter. Konverteren forstørrer den smalle laserstråle, oprindeligt omkring 500 nanometer (nm) i diameter (ca. fem tusindedele tykkelsen af ​​et menneskehår), til 280 gange den bredde. Den forstørrede stråle rammer derefter en omhyggeligt konstrueret, ultratynd film kendt som en "metasurface", der er besat med små søjler, omkring 600 nm i længden og 100 nm bred.

Nanopillerne virker til at udvide laserstrålen yderligere med en faktor på 100. Den dramatiske udvidelse er nødvendig for, at strålen effektivt kan interagere med og afkøle en stor samling atomer. I øvrigt, ved at opnå denne bedrift inden for et lille rumområde, metasurface minimerer køleprocessen.

Metasfladen omformer lyset på to andre vigtige måder, samtidig ændre intensiteten og polarisationen (vibrationsretning) af lysbølgerne. Normalt, intensiteten følger en klokkeformet kurve, hvor lyset er klarest i midten af ​​strålen, med et gradvist nedfald på hver side. NIST-forskerne designede nanopillerne, så de små strukturer ændrer intensiteten, skabe en stråle, der har en ensartet lysstyrke over hele dens bredde. Den ensartede lysstyrke tillader mere effektiv brug af det tilgængelige lys. Polarisering af lyset er også afgørende for laserkøling.

Den ekspanderende, omformet stråle rammer derefter et diffraktionsgitter, der deler den enkelte stråle i tre par lige store og modsat rettede bjælker. Kombineret med et påført magnetfelt, de fire bjælker, skubber på atomerne i modsatte retninger, tjener til at fange de afkølede atomer.

Hver komponent i det optiske system - konverteren, metasurface og gitteret - var udviklet på NIST, men var i drift på separate laboratorier på de to NIST -campusser, i Gaithersburg, Maryland og Boulder, Colorado. McGehee og hans team bragte de forskellige komponenter sammen for at bygge det nye system.

"Det er den sjove del af denne historie, "sagde han." Jeg kendte alle NIST -forskerne, der selvstændigt havde arbejdet med disse forskellige komponenter, og jeg indså, at elementerne kunne sættes sammen for at skabe et miniaturiseret laserkølesystem. "

Selvom det optiske system skal være 10 gange mindre til laserafkølede atomer på en chip, eksperimentet "er et principbevis for, at det kan lade sig gøre, "Tilføjede McGehee.

"Ultimativt, at gøre lyspræparationen mindre og mindre kompliceret vil gøre det muligt for laserkølingsbaserede teknologier at eksistere uden for laboratorier, " han sagde.