Fysikere bygger en atomlaser, der kan blive ved for evigt

Lasere producerer sammenhængende lysbølger:Alt lyset inde i en laser vibrerer fuldstændig synkroniseret. I mellemtiden fortæller kvantemekanikken os, at partikler som atomer også skal opfattes som bølger. Som et resultat kan vi bygge "atomlasere", der indeholder sammenhængende bølger af stof. Men kan vi få disse stofbølger til at holde, så de kan bruges i applikationer? I forskning, der blev offentliggjort i Nature i denne uge viser et hold af Amsterdamske fysikere, at svaret på dette spørgsmål er bekræftende.

Få bosoner til at marchere synkront

Konceptet, der ligger til grund for atomlaseren, er det såkaldte Bose-Einstein Condensate, eller forkortet BEC. Elementære partikler i naturen forekommer i to typer:fermioner og bosoner. Fermioner er partikler som elektroner og kvarker - byggestenene i det stof, vi er lavet af. Bosoner er meget forskellige i naturen:de er ikke hårde som fermioner, men bløde:for eksempel kan de bevæge sig gennem hinanden uden problemer. Det bedst kendte eksempel på en boson er fotonen, den mindst mulige mængde lys. Men stofpartikler kan også kombineres og danne bosoner - faktisk kan hele atomer opføre sig ligesom lyspartikler. Det, der gør bosoner så specielle, er, at de alle kan være i nøjagtig samme tilstand på nøjagtig samme tidspunkt, eller formuleret i mere tekniske termer, kan de "fortætte" til en sammenhængende bølge. Når denne type kondensering sker for stofpartikler, kalder fysikere det resulterende stof for et Bose-Einstein-kondensat.

I hverdagen er vi slet ikke bekendt med disse kondensater. Årsagen:det er meget svært at få atomer til at opføre sig som én. Synderen, der ødelægger synkroniteten, er temperaturen - når et stof opvarmes, begynder partiklerne at tude rundt, og det bliver praktisk talt umuligt at få dem til at opføre sig som én. Kun ved ekstremt lave temperaturer, omkring en milliontedel af en grad over det absolutte nulpunkt (ca. 273 grader under nul på Celsius-skalaen), er der en chance for at danne de sammenhængende stofbølger af en BEC.

Flugtige udbrud

For et kvart århundrede siden blev de første Bose-Einstein-kondensater skabt i fysiklaboratorier. Dette åbnede muligheden for at bygge atomlasere - enheder, der bogstaveligt talt udsender stofstråler - men disse enheder var kun i stand til at fungere i meget kort tid. Laserne kunne producere pulser af stofbølger, men efter at have sendt en sådan puls ud, skulle der oprettes en ny BEC, før den næste puls kunne sendes ud. For et første skridt mod en atomlaser var dette stadig ikke dårligt. Faktisk blev almindelige, optiske lasere også lavet i en pulserende variant, før fysikerne var i stand til at skabe kontinuerlige lasere. Men mens udviklingen for optiske lasere var gået meget hurtigt, den første kontinuerlige laser blev produceret inden for seks måneder efter dens pulserende modstykke, forblev den kontinuerlige version for atomlasere uhåndgribelig i mere end 25 år.

Det var tydeligt, hvad problemet var:BEC'er er meget skrøbelige og ødelægges hurtigt, når lys falder på dem. Alligevel er tilstedeværelsen af ​​lys afgørende for dannelsen af ​​kondensatet:For at køle et stof ned til en milliontedel grad skal man køle dets atomer ned ved hjælp af laserlys. Som et resultat blev BEC'er begrænset til flygtige udbrud, uden nogen måde at opretholde dem på sammenhængende måde.

En julegave

Et hold fysikere fra University of Amsterdam har nu formået at løse det vanskelige problem med at skabe et kontinuerligt Bose-Einstein-kondensat. Florian Schreck, teamlederen, forklarer, hvad tricket var. "I tidligere eksperimenter blev den gradvise afkøling af atomer alt sammen udført på ét sted. I vores opsætning besluttede vi at sprede afkølingstrinene ikke over tid, men i rummet:vi får atomerne til at bevæge sig, mens de udvikler sig gennem på hinanden følgende afkølingstrin. i slutningen ankommer ultrakolde atomer til hjertet af eksperimentet, hvor de kan bruges til at danne sammenhængende stofbølger i en BEC. Men mens disse atomer bliver brugt, er nye atomer allerede på vej til at genopbygge BEC. På denne måde vi kan holde processen i gang – i det væsentlige for evigt."

Mens den underliggende idé var forholdsvis enkel, var det bestemt ikke at udføre den. Chun-Chia Chen, første forfatter til publikationen i Nature , husker:"Allerede i 2012 realiserede holdet - dengang stadig i Innsbruck - en teknik, der gjorde det muligt for en BEC at blive beskyttet mod laserkølende lys, hvilket for første gang muliggjorde laserkøling helt ned til den degenererede tilstand, der er nødvendig for kohærente bølger Selvom dette var et kritisk første skridt mod den langvarige udfordring med at konstruere en kontinuerlig atomlaser, var det også klart, at en dedikeret maskine ville være nødvendig for at tage den videre. Da vi flyttede til Amsterdam i 2013, begyndte vi med et spring på tro, lånte midler, et tomt lokale og et hold, der udelukkende var finansieret af personlige tilskud. Seks år senere, i de tidlige timer julemorgen 2019, var eksperimentet endelig på randen af ​​at virke. Vi havde idéen om at tilføje en ekstra laserstråle for at løse et sidste teknisk problem, og med det samme viste hvert billede, vi tog, en BEC, den første kontinuerlige BEC."

Efter at have tacklet det langvarige åbne problem med at skabe et kontinuerligt Bose-Einstein-kondensat, har forskerne nu sat deres sind på det næste mål:at bruge laseren til at skabe en stabil udgangsstråle af stof. Når først deres lasere ikke kun kan fungere for evigt, men også kan producere stabile stråler, står intet i vejen for tekniske applikationer længere, og stoflasere kan begynde at spille en lige så vigtig rolle i teknologien, som almindelige lasere gør i øjeblikket. + Udforsk yderligere

Laserkøling til kvantegasser