制造玻色-爱因斯坦凝聚体的更快方法

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原子的世界是随机的混乱和热量之一。在室温下,原子云是疯狂的混乱,原子相互挤压并相互碰撞,不断改变它们的方向和速度。

通过彻底冷却原子,这种随机运动可以减慢甚至完全停止。在绝对零度以上的头发上,先前狂热的原子变成几乎像僵尸一样的状态,以一种波状形式移动,以物质的量子形式称为玻色 – 爱因斯坦凝聚物。

自1995年科罗拉多州的研究人员和麻省理工学院的Wolfgang Ketterle及其同事成功研制出第一批玻色 – 爱因斯坦凝聚体以来,科学家们一直在观察它们奇怪的量子特性,以便深入了解包括磁性和超导性在内的许多现象。但是将原子冷却成冷凝物是缓慢而低效的,原始云中超过99%的原子在此过程中会丢失。

现在,麻省理工学院的物理学家发明了一种将原子冷却成冷凝物的新技术,这种技术比传统方法更快,并且保留了大部分原始原子。该团队采用了一种新的激光冷却工艺,将铷原子云从室温冷却至1微克,或者低于绝对零度的百万分之一。

通过这种技术,该团队能够冷却2,000个原子,并由此产生1,400个原子的凝聚物,保留了70%的原始云。他们的研究结果发表在“ 科学 ”杂志上 。

“人们正在尝试使用玻色 – 爱因斯坦凝聚物来理解磁性和超导性,以及用它们来制造陀螺仪和原子钟,”麻省理工学院Lester Wolfe物理学教授VladanVuletić说。“我们的技术可以开始加快所有这些调查。”

Vuletić是该论文的高级作者,其中还包括第一作者和研究助理Jiazhong Hu,以及Zachary Vendeiro,ValentinCrépel,Alban Urvoy和Wenlan Chen。

“一小部分和一大缺点”

科学家们通常通过激光冷却和蒸发冷却相结合的方式创造了玻色 – 爱因斯坦凝聚体。该过程通常始于将激光束从几个方向照射在原子云上。光束中的光子起到微小的乒乓球的作用,从大得多的篮球大小的原子中弹回,并在每次碰撞时将它们放慢一点。激光的光子还可以压缩原子云,限制它们的运动并在此过程中冷却它​​们。但研究人员发现激光可以冷却原子的数量有限:云变得越密集,光子散射的空间就越小; 相反,他们开始产生热量。

在此过程中,科学家通常会关灯并转向蒸发冷却,Vuletić将其描述为“像冷却咖啡杯一样 – 你只需要等待最热的原子逃逸。”但这是一个缓慢的过程,最终会消除超过99%的原始原子,以保留足够冷的原子变成玻色 – 爱因斯坦凝聚体。

“最后,你必须从超过100万个原子开始,得到一个只有10,000个原子的凝聚物,”Vuletić说。“这只是一小部分,也是一大缺点。”

调整扭曲

Vuletić和他的同事找到了解决激光冷却最初限制的方法,从开始到结束使用激光将原子冷却成冷凝物 – 这是一种更加快速,原子保存的方法,他称之为物理学家中的“长期梦想”。场。

“我们发明的是使其在高[原子]密度下工作的新方法,”Vuletić说。

研究人员采用传统的激光冷却技术将铷原子云冷却到恰好高于原子被压缩的点,使光子开始加热样品。

然后他们切换到一种称为拉曼冷却的方法,其中他们使用一组两个激光束进一步冷却原子。他们调整了第一个光束,使其光子在被原子吸收时将原子的动能转化为磁能。作为回应,原子进一步减速和冷却,同时仍然保持其原始的总能量。

然后,研究小组将第二个激光瞄准了压缩得很大的云,这个云的调谐方式使得光子在被较慢的原子吸收时,可以消除原子的总能量,进一步冷却它们。

“最终,光子在两步过程中夺走了系统的能量,”Vuletić说。“在一个步骤中,你可以消除动能,在第二步中,你可以消除总能量并减少这种疾病,这意味着你已经冷却了它。”

他解释说,通过去除原子的动能,人们基本上消除了它们的随机运动,并将原子转化为更多类似于玻色 – 爱因斯坦凝聚体的均匀量子行为。当原子失去其总能量并充分冷却以处于其最低量子态时,这些缩合物最终可以形成。

为了达到这一点,研究人员发现他们必须更进一步将原子完全冷却成冷凝物。为此,他们需要将激光调谐远离原子共振,这意味着光可以更容易地从原子中逸出而不会将它们推向并加热它们。

“原子几乎对光子透明,”Vuletić说。

这意味着入射光子不太可能被原子吸收,引发振动和热量。相反,每个光子只会从一个原子反射回来。

“之前,当一个光子进来时,它会在它出来之前被10个原子散射,因此它产生了10个原子的抖动,”Vuletić说。“如果你将激光调谐到远离共振的角度,那么现在光子很有可能在撞击任何其他原子之前逃逸。事实证明,通过增加激光功率,你可以恢复原来的冷却速度。“

该团队发现,通过激光冷却技术,他们能够在短短0.1秒内将铷原子从200微开尔文冷却到1微开尔文,这个过程比传统方法快100倍。更重要的是,该组最终的玻色 – 爱因斯坦凝聚物样本含有1,400个原子,来自2000的原始云,与现有方法相比,保留了更大比例的凝聚原子。

“当我还是一名研究生时,人们只是使用激光冷却尝试了许多不同的方法,但它没有用,人们放弃了。这是一个长期的梦想,使这个过程更简单,更快速,更强大,“Vuletić说。“所以我们非常兴奋地尝试我们对新原子种类的研究,我们认为我们可以让它在未来制造1000倍以上的凝聚物。”

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