Такие случайные движения можно замедлить, и даже остановить полностью, решительно охладив атомы. В волоске выше абсолютного нуля ранее лихорадочные атомы превращаются в почти подобное зомби государство, перемещаясь как одно подобное волне формирование, в квантовой форме вопроса, известного как конденсат Боз-Эйнштейна.
Так как первые конденсаты Боз-Эйнштейна были успешно произведены в 1995 исследователями в Колорадо и Вольфгангом Кеттерле и коллегами в MIT, ученые наблюдали свои странные квантовые свойства, чтобы получить сведения о многих явлениях, включая магнетизм и сверхпроводимость. Но охлаждение атомов в конденсаты медленное и неэффективное, и больше чем 99 процентов атомов в оригинальном облаке потеряны в процессе.
Теперь, физики MIT изобрели новую технику, чтобы охладить атомы в конденсаты, который быстрее, чем обычный метод и сохраняет большую часть оригинальных атомов. Команда использовала новый процесс лазера, охлаждающегося, чтобы охладить облако атомов рубидия полностью от комнатной температуры до 1 microkelvin, или менее, чем миллионный из степени выше абсолютного нуля.С этой техникой команда смогла охладить 2 000 атомов, и от этого, произвести конденсат 1 400 атомов, сохранив 70 процентов оригинального облака.
Их результаты изданы сегодня в журнале Science.«Люди пытаются использовать конденсаты Боз-Эйнштейна, чтобы понять магнетизм и сверхпроводимость, а также используют их, чтобы сделать гироскопы и атомные часы», говорит Владан Вулети?, профессор Лестера Вольфа Физики в MIT. «Наша техника могла начать ускорять все эти запросы».Vuleti? ведущий автор бумаги, которая также включает первого автора и научного сотрудника Цзячжун Ху, а также Закари Вендейро, Валентина Крепеля, Албана Арвоя и Венлана Чена.«Небольшая часть и большой недостаток»
Ученые традиционно создали конденсаты Боз-Эйнштейна через комбинацию охлаждения лазера и испаряющего охлаждения. Процесс обычно начинается, сияя лазерные лучи от нескольких направлений на облаке атомов. Фотоны в луче действуют как крошечные шары пинг-понга, подпрыгивающие от намного больших, атомов размера баскетбола и замедляющие их вниз немного в каждом столкновении.
Фотоны лазера также действуют, чтобы сжать облако атомов, ограничивая их движение и охлаждая их в процессе. Но исследователи нашли, что есть предел тому, насколько лазер может охладить атомы: Чем более плотный облако становится, тем меньше комнаты, там для фотонов, чтобы рассеяться; вместо этого они начинают вырабатывать тепло.В этом пункте в процессе, ученые, как правило, выключают свет и переключаются на испаряющее охлаждение, который Vuleti? описывает как «как охлаждение кофейной чашки – Вы просто ждете самых горячих атомов, чтобы убежать».
Но это – медленный процесс, который в конечном счете удаляет больше чем 99 процентов оригинальных атомов, чтобы сохранить атомы, которые являются достаточно холодными, чтобы превратиться в конденсаты Боз-Эйнштейна.«В конце Вы должны начать больше чем с 1 миллиона атомов получать конденсат, состоящий только из 10 000 атомов», Vuleti? говорит. «Это – небольшая часть и большой недостаток».Настройка поворотаVuleti? и его коллеги нашли способ обойти начальные ограничения лазерного охлаждения, охладить атомы в конденсаты, используя лазерный свет от начала до конца – намного более быстрый, сохраняющий атом подход, который он описывает как «давнюю мечту» среди физиков в области.
«Что мы изобрели, был новый поворот на методе, чтобы заставить его работать в высоких [атомных] удельных весах», Vuleti? говорит.Исследователи использовали обычные лазерные методы охлаждения, чтобы охладить облако атомов рубидия к чуть выше пункта, в котором атомы становятся столь сжатыми, что фотоны начинают подогревать образец.
Они тогда переключились на метод, известный как Раман, охлаждающийся, в котором они использовали ряд двух лазерных лучей, чтобы охладить атомы далее. Они настроили первый луч так, чтобы его фотоны, когда поглощено атомами, превратили кинетическую энергию атомов в магнитную энергию.
Атомы, в ответ, замедлились и охладились далее, все еще поддерживая их оригинальную полную энергию.Команда тогда нацелила второй лазер на очень сжатое облако, которое было настроено таким способом, которым фотоны, когда поглощено более медленными атомами, удалили полную энергию атомов, охладив их еще больше.«В конечном счете фотоны устраняют энергию системы в двухступенчатом процессе», Vuleti? говорит. «За один шаг Вы удаляете кинетическую энергию, и во втором шаге, Вы удаляете полную энергию и уменьшаете беспорядок, подразумевая, что Вы охладили его».
Он объясняет, что, удаляя кинетическую энергию атомов, каждый по существу покончил с их случайными движениями и переходит атомы в большее количество униформы, квантовое поведение, напоминающее конденсаты Боз-Эйнштейна. Эти конденсаты могут в конечном счете принять форму, когда атомы потеряли свою полную энергию и охладились достаточно, чтобы проживать в их самых низких квантовых состояниях.Чтобы достигнуть этой точки, исследователи нашли, что они должны были пойти один шаг вперед в абсолютно прохладный атомы в конденсаты. Чтобы сделать так, они должны были настроить лазеры далеко от атомного резонанса, означая, что свет мог более легко сбежать из атомов, не третируя их и нагрев их.
«Атомы становятся почти очевидными для фотонов», Vuleti? говорит.Это означает, что поступающие фотоны, менее вероятно, будут поглощены атомами, вызывая колебания и тепло. Вместо этого каждый фотон подпрыгивает всего от одного атома.«Прежде, когда фотон вошел, он был рассеян, скажем, 10 атомами, прежде чем он вышел, таким образом, он заставил 10 атомов дрожать», Vuleti? говорит. «Если Вы настраиваете лазер далеко от резонанса, теперь у фотона есть хороший шанс возможности избежать прежде, чем поразить любой другой атом.
И это складывается, увеличивая лазерную власть, Вы можете возвратить оригинальную скорость охлаждения».Команда нашла, что с их лазерным методом охлаждения, они смогли охладить атомы рубидия от 200 microkelvin до 1 microkelvin всего за 0,1 секунды в процессе, который в 100 раз быстрее, чем обычный метод.
Кроме того, заключительный образец группы конденсатов Боз-Эйнштейна содержал 1 400 атомов, от оригинального облака 2 000, сохраняя намного большую часть сжатых атомов по сравнению с существующими методами.«Когда я был аспирантом, люди попробовали много различных методов, просто используя лазерное охлаждение, и оно не работало, и люди сдались.
Это давняя мечта должно было сделать этот процесс более простым, быстрее, более прочным», Vuleti? говорит. «Таким образом, мы довольно счастливы попробовать наш подход к новым разновидностям атомов, и мы думаем, что можем заставить его заставлять его делать в 1,000 раз большие конденсаты в будущем».