Такие случайные движения можно замедлить и даже полностью остановить, резко охладив атомы. На волосок выше абсолютного нуля ранее неистовые атомы трансформируются в почти зомби-подобное состояние, двигаясь как одно волновое образование в квантовой форме материи, известной как конденсат Бозе-Эйнштейна.
С тех пор, как первые конденсаты Бозе-Эйнштейна были успешно получены в 1995 году исследователями в Колорадо, а также Вольфгангом Кеттерле и его коллегами из Массачусетского технологического института, ученые наблюдали их странные квантовые свойства, чтобы получить представление о ряде явлений, включая магнетизм и сверхпроводимость. Но охлаждение атомов до конденсата происходит медленно и неэффективно, и более 99 процентов атомов в исходном облаке теряются в процессе.
Теперь физики из Массачусетского технологического института изобрели новую технику охлаждения атомов в конденсаты, которая работает быстрее, чем традиционный метод, и сохраняет большую часть исходных атомов. Команда использовала новый процесс лазерного охлаждения, чтобы охладить облако атомов рубидия от комнатной температуры до 1 микрокельвина, или менее одной миллионной градуса выше абсолютного нуля.С помощью этой техники команда смогла охладить 2000 атомов и сгенерировать конденсат из 1400 атомов, сохранив 70 процентов исходного облака. Их результаты опубликованы сегодня в журнале Science.
«Люди пытаются использовать конденсаты Бозе-Эйнштейна для понимания магнетизма и сверхпроводимости, а также использовать их для создания гироскопов и атомных часов», — говорит Владан Вулети, профессор физики в Массачусетском технологическом институте. «Наша методика может ускорить все эти расследования».Вулети? — старший автор статьи, в которую также входят первый автор и научный сотрудник Цзячжун Ху, а также Захари Вендейро, Валентин Крепель, Альбан Урвой и Венлан Чен.«Маленькая дробь и большой недостаток»Ученые традиционно создают конденсаты Бозе-Эйнштейна путем сочетания лазерного охлаждения и испарительного охлаждения.
Процесс обычно начинается с того, что лазерные лучи падают с нескольких направлений на облако атомов. Фотоны в луче действуют как крошечные шарики для пинг-понга, отскакивая от гораздо более крупных атомов размером с баскетбольный мяч и немного замедляя их при каждом столкновении. Фотоны лазера также действуют, сжимая облако атомов, ограничивая их движение и охлаждая при этом. Но исследователи обнаружили, что существует предел того, насколько лазер может охлаждать атомы: чем плотнее становится облако, тем меньше остается места для рассеяния фотонов; вместо этого они начинают выделять тепло.
На этом этапе ученые обычно выключают свет и переключаются на испарительное охлаждение, какое Вулети? описывает это как «как охлаждение чашки кофе — вы просто ждете, пока вырвутся самые горячие атомы». Но это медленный процесс, который в конечном итоге удаляет более 99 процентов исходных атомов, чтобы сохранить достаточно холодные атомы, чтобы превратиться в конденсаты Бозе-Эйнштейна.«В конце концов, вы должны начать с более чем 1 миллиона атомов, чтобы получить конденсат, состоящий всего из 10 000 атомов», — сказал Вулети? говорит. «Это небольшая доля и большой недостаток».Тюнинг твист
Вулети? и его коллеги нашли способ обойти начальные ограничения лазерного охлаждения, охладить атомы до конденсата с помощью лазерного света от начала до конца — гораздо более быстрый подход с сохранением атомов, который он описывает как «давнюю мечту» физиков в мире. поле.«То, что мы изобрели, было новым способом заставить его работать при высоких [атомных] плотностях», — сказал Вулети? говорит.Исследователи использовали обычные методы лазерного охлаждения, чтобы охладить облако атомов рубидия до точки, в которой атомы сжимаются настолько, что фотоны начинают нагревать образец.Затем они перешли на метод, известный как рамановское охлаждение, в котором они использовали набор из двух лазерных лучей для дальнейшего охлаждения атомов.
Они настроили первый луч так, чтобы его фотоны при поглощении атомами превращали кинетическую энергию атомов в магнитную энергию. В ответ атомы замедлились и охладились дальше, сохраняя при этом свою первоначальную полную энергию.Затем команда направила второй лазер на сильно сжатое облако, которое было настроено таким образом, что фотоны, поглощаемые более медленными атомами, удаляли полную энергию атомов, охлаждая их еще больше.
«В конечном итоге фотоны забирают энергию системы в двухступенчатом процессе», — сказал Вулети? говорит. «На одном этапе вы удаляете кинетическую энергию, а на втором этапе вы удаляете всю энергию и уменьшаете беспорядок, то есть охлаждаете его».Он объясняет, что, удаляя кинетическую энергию атомов, можно по существу избавиться от их случайных движений и преобразовать атомы в более однородное квантовое поведение, напоминающее конденсаты Бозе-Эйнштейна. Эти конденсаты могут в конечном итоге принять форму, когда атомы потеряли свою полную энергию и достаточно остыли, чтобы оставаться в своих низших квантовых состояниях.Чтобы достичь этой точки, исследователи обнаружили, что им нужно сделать еще один шаг, чтобы полностью охладить атомы до конденсата.
Для этого им нужно было настроить лазеры в сторону от атомного резонанса, а это означало, что свет мог легче выходить из атомов, не толкая их и не нагревая.«Атомы становятся почти прозрачными для фотонов», — сказал Вулети? говорит.Это означает, что входящие фотоны с меньшей вероятностью будут поглощены атомами, вызывая вибрации и тепло.
Вместо этого каждый фотон отражается только от одного атома.«Раньше, когда входил фотон, он рассеивался, скажем, 10 атомами, прежде чем выйти, поэтому он заставлял 10 атомов дрожать», — Вулети? говорит. «Если вы настроите лазер в сторону от резонанса, теперь у фотона есть хорошие шансы ускользнуть, прежде чем ударится любой другой атом. И оказывается, увеличивая мощность лазера, вы можете вернуть исходную скорость охлаждения».
Команда обнаружила, что с помощью своей техники лазерного охлаждения они смогли охладить атомы рубидия от 200 микрокельвина до 1 микрокельвина всего за 0,1 секунды, что в 100 раз быстрее, чем традиционный метод. Более того, последний образец конденсатов Бозе-Эйнштейна, сделанный группой, содержал 1400 атомов из первоначального облака из 2000, сохраняя гораздо большую часть конденсированных атомов по сравнению с существующими методами.«Когда я был аспирантом, люди пробовали много разных методов, просто используя лазерное охлаждение, и это не сработало, и люди отказались.
Сделать этот процесс проще, быстрее и надежнее было давней мечтой», — сказал Вулети? говорит. «Так что мы очень рады попробовать наш подход на новых разновидностях атомов, и мы думаем, что сможем заставить его производить конденсаты в 1000 раз большего размера в будущем».