Ультрахолодный атом - Ultracold atom

Ультрахолодные атомы - это атомы, которые поддерживаются при температурах, близких к 0 кельвину ( абсолютный ноль ), обычно ниже нескольких десятков микрокельвинов (мкК). При этих температурах важны квантово-механические свойства атома .

Чтобы достичь таких низких температур, обычно необходимо использовать комбинацию нескольких методов. Во-первых, атомы обычно захватываются и предварительно охлаждаются посредством лазерного охлаждения в магнитооптической ловушке . Для достижения минимально возможной температуры дальнейшее охлаждение осуществляется с помощью испарительного охлаждения в магнитной или оптической ловушке . Несколько Нобелевских премий по физике связаны с разработкой методов управления квантовыми свойствами отдельных атомов (например, 1995–1997, 2001, 2005, 2012, 2017).

Эксперименты с ультрахолодными атомами изучают множество явлений, включая квантовые фазовые переходы, конденсацию Бозе – Эйнштейна (БЭК) , бозонную сверхтекучесть, квантовый магнетизм , многочастичную спиновую динамику, состояния Ефимова , сверхтекучесть Бардина – Купера – Шриффера (БКШ) и БЭК. –BCS кроссовер . Некоторые из этих направлений исследований используют ультрахолодные атомные системы в качестве квантовых симуляторов для изучения физики других систем, включая унитарный ферми-газ и модели Изинга и Хаббарда . Ультрахолодные атомы также могут быть использованы для реализации квантовых компьютеров.

История

Образцы ультрахолодных атомов обычно получают путем взаимодействия разбавленного газа с лазерным полем. Доказательства радиационного давления, силы, создаваемой светом на атомы, были независимо продемонстрированы Лебедевым, Николсом и Халлом в 1901 году. В 1933 году Отто Фриш продемонстрировал отклонение отдельных частиц натрия под действием света, генерируемого натриевой лампой.

Изобретение лазера стимулировало развитие дополнительных методов манипулирования атомами с помощью света. Использование лазерного света для охлаждения атомов было впервые предложено в 1975 году благодаря использованию эффекта Доплера, чтобы сделать силу излучения на атоме зависимой от его скорости, метод, известный как доплеровское охлаждение . Подобные идеи предлагались и для охлаждения образцов захваченных ионов. Применение доплеровского охлаждения в трех измерениях замедлит атомы до скоростей, которые обычно составляют несколько см / с, и производит так называемую оптическую патоку .

Обычно источником нейтральных атомов для этих экспериментов были тепловые печи, которые производили атомы при температурах в несколько сотен градусов Кельвина. Атомы из этих печных источников движутся со скоростью сотни метров в секунду. Одной из основных технических проблем при доплеровском охлаждении было увеличение времени, в течение которого атом может взаимодействовать со светом лазера. Эта проблема была преодолена с появлением Zeeman Slower . Замедлитель Зеемана использует пространственно изменяющееся магнитное поле для поддержания относительного энергетического интервала атомных переходов, участвующих в доплеровском охлаждении. Это увеличивает количество времени, которое атом проводит, взаимодействуя с лазерным светом.

Разработка первой магнитооптической ловушки (МОЛ) Раабом и др. В 1987 г. был сделан важный шаг на пути к созданию образцов ультрахолодных атомов. Типичные температуры, достигаемые с помощью MOT, составляют от десятков до сотен микрокельвинов. По сути, магнитооптическая ловушка удерживает атомы в пространстве, прикладывая магнитное поле, так что лазеры не только создают силу, зависящую от скорости, но также и силу, изменяющуюся в пространстве. Нобелевская премия по физике 1997 года была присуждена за разработку методов охлаждения и улавливания атомов с помощью лазерного света и разделили Стивен Чу , Клод Коэн-Таннуджи и Уильям Д. Филлипс .

Испарительное охлаждение использовалось в экспериментальных попытках достичь более низких температур в попытке открыть новое состояние вещества, предсказанное Сатьендрой Нат Бозом и Альбертом Эйнштейном, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК). При испарительном охлаждении самые горячие атомы в образце улетучиваются, что снижает среднюю температуру образца. Нобелевская премия 2001 г. была присуждена Эрику А. Корнеллу , Вольфгангу Кеттерле и Карлу Э. Виману за создание конденсата Бозе – Эйнштейна в разбавленных газах щелочных атомов и за ранние фундаментальные исследования свойств конденсатов.

Приложения

Ультрахолодные атомы имеют множество применений благодаря своим уникальным квантовым свойствам и отличному экспериментальному контролю, доступному в таких системах. Например, ультрахолодные атомы были предложены в качестве платформы для квантовых вычислений и квантового моделирования, сопровождаемые очень активными экспериментальными исследованиями для достижения этих целей.

Квантовое моделирование представляет большой интерес в контексте физики конденсированного состояния, где оно может дать ценную информацию о свойствах взаимодействующих квантовых систем. Ультрахолодные атомы используются для реализации аналога интересующей системы конденсированного состояния, которую затем можно исследовать с помощью инструментов, доступных в конкретной реализации. Поскольку эти инструменты могут сильно отличаться от тех, которые доступны в реальной системе конденсированных сред, можно, таким образом, экспериментально исследовать недоступные иным образом величины. Более того, ультрахолодные атомы могут даже позволить создавать экзотические состояния вещества, которые иначе невозможно наблюдать в природе.

Ультрахолодные атомы также используются в экспериментах для прецизионных измерений благодаря низкому тепловому шуму и, в некоторых случаях, за счет использования квантовой механики для превышения стандартного квантового предела. Помимо потенциальных технических приложений, такие прецизионные измерения могут служить проверкой нашего нынешнего понимания физики.

Смотрите также

Рекомендации

Источники