Ультрахолодный атом - Ultracold atom

Ультрахолодные атомы атомы, которые поддерживаются при температурах, близких к 0 кельвин (абсолютный ноль ), обычно ниже нескольких десятков микрокельвин (мкК). При этих температурах атомная квантово-механический свойства становятся важными.

Для достижения таких низких температур обычно необходимо использовать комбинацию нескольких методов.[1] Во-первых, атомы обычно захватываются и предварительно охлаждаются через лазерное охлаждение в магнитооптическая ловушка. Для достижения минимально возможной температуры дальнейшее охлаждение осуществляется с помощью охлаждение испарением в магнитный или же оптическая ловушка. Несколько Нобелевских премий по физике связаны с разработкой методов манипулирования квантовыми свойствами отдельных атомов (например, 1995–1997, 2001, 2005, 2012, 2017).

Эксперименты с ультрахолодными атомами изучают множество явлений, включая квантовые фазовые переходы, Конденсация Бозе – Эйнштейна (БЭК), бозонная сверхтекучесть, квантовый магнетизм, многочастичная спиновая динамика, Ефимов заявляет, Сверхтекучесть Бардина – Купера – Шриффера (БКШ) и Кроссовер BEC – BCS.[2] Некоторые из этих направлений исследований используют системы ультрахолодных атомов в качестве квантовые симуляторы изучать физику других систем, в том числе унитарный ферми-газ и Я пою и Хаббард модели.[3]

История

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

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 были предложены и для охлаждения образцов захваченных ионов. Применение доплеровского охлаждения в трех измерениях замедлит атомы до скоростей, которые обычно составляют несколько см / с, и приведет к тому, что известно как оптическая патока.[4]

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 за счет введения 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 путем приложения магнитного поля, так что лазеры не только создают силу, зависящую от скорости, но также и силу, изменяющуюся в пространстве. Нобелевская премия 1997 г.[4] по физике был награжден за разработку методов охлаждения и улавливания атомов лазерным светом и был разделен Стивен Чу, Клод Коэн-Таннуджи и Уильям Д. Филлипс.

Охлаждение испарением был использован в экспериментальных попытках достичь более низких температур в попытке открыть новый состояние дела предсказанный Сатьендрой Нат Бозом и Альбертом Эйнштейном, известный как Конденсат Бозе – Эйнштейна (BEC). При испарительном охлаждении самые горячие атомы в образце улетучиваются, что снижает среднюю температуру образца. Нобелевская премия 2001 г.[1] был присужден Эрик А. Корнелл, Вольфганг Кеттерле и Карл Э. Виман для достижения Конденсат Бозе – Эйнштейна в разреженных газах щелочных атомов и для ранних фундаментальных исследований свойств конденсатов.

Приложения

У ультрахолодных атомов есть множество применений из-за их уникальных квантовых свойств и отличного экспериментального контроля, доступного в таких системах. Например, ультрахолодные атомы были предложены в качестве платформы для квантовых вычислений и квантового моделирования.[5] сопровождаются 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, что доступны в реальной системе конденсированных сред, можно, таким образом, экспериментально исследовать недоступные иным образом количества. Более того, ультрахолодные атомы могут даже позволить создавать экзотические состояния материи, 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

  1. ^ а б «Нобелевская премия по физике 2001 г. - популярная информация». www.nobelprize.org. Получено 2016-01-27.
  2. ^ Мэдисон, К. В .; Wang, Y. Q .; Рей, А. М .; и др., ред. (2013). Ежегодный обзор холодных атомов и молекул. 1. World Scientific. Дои:10.1142/8632. ISBN  978-981-4440-39-4.
  3. ^ Блох, Иммануил; Далибард, Жан; Насимбен, Сильвен (2012). «Квантовое моделирование с ультрахолодными квантовыми газами». Природа Физика. 8 (4): 267–276. Bibcode:2012НатФ ... 8..267Б. Дои:10.1038 / nphys2259.
  4. ^ а б "Пресс-релиз: Нобелевская премия по физике 1997 г.". www.nobelprize.org. Получено 2016-01-27.
  5. ^ Блох, Иммануил; Далибард, Жан; Насимбен, Сильвен (2012). «Квантовое моделирование с ультрахолодными квантовыми газами». Природа Физика. 8 (4): 267–276. Bibcode:2012НатФ ... 8..267Б. Дои:10.1038 / nphys2259.

Источники