麻省理工学院物理学家开发出一种更快的方法来制造玻色-爱因斯坦凝聚物

admin 2018-05-15

/ em使用激光冷却的新工艺,麻省理工学院物理学家发明了一种将原子冷却成比常规方法更快的新技术,同时保留了大部分原始原子。 / em

原子的世界是随机混乱和热量之一。在室温下,原子云是疯狂的混乱,原子彼此掠过并相互碰撞,不断改变方向和速度。

通过彻底冷却原子,这种随机运动可以减慢甚至完全停止。当头发高于绝对零度时,以前的狂热原子会变成几乎僵尸般的状态,以一种称为玻色 - 爱因斯坦凝聚物的物质的量子形式移动为一个波状结构。

自1995年科罗拉多研究人员和麻省理工学院Wolfgang Ketterle及其同事研制出第一批玻色 - 爱因斯坦凝聚体以来,科学家们一直在观察它们的奇特量子特性,以便深入了解包括磁性和超导性在内的一些现象。但是,将原子冷却成冷凝物是缓慢且低效的,并且原始云中超过99%的原子在该过程中丢失。

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,它比传统方法更快并且保留了大部分原始原子。该团队使用了一种新的激光冷却工艺,将铷原子云从室温冷却到1微克,或者比绝对零度还要低百万分之一。

利用这种技术,团队能够冷却2000个原子,并由此产生1,400个原子的凝聚体,保留了70%的原始云。他们的研究成果今天发表在 em Science / em期刊上。

“人们试图用玻色 - 爱因斯坦凝聚体来理解磁性和超导性,以及用它们来制造陀螺仪和原子钟,”麻省理工学院莱斯特沃尔夫物理学教授弗拉丹Vuletić说。 “我们的技术可以开始加速所有这些查询。”

Vuletić是论文的高级作者,其中还包括第一作者和研究助理胡家忠,以及Zachary Vendeiro,ValentinCrépel,Alban Urvoy和陈文澜。

“一小部分和一个很大的缺点”

科学家已经通过激光冷却和蒸发冷却的组合创造了玻色 - 爱因斯坦凝聚体。这个过程通常是从原子云上的几个方向照射激光束开始的。光束中的光子作为微小的乒乓球,反射出更大的篮球大小的原子,并在每次碰撞中减慢它们的速度。激光的光子也可以压缩原子云,限制它们的运动并在这个过程中冷却它​​们。但是研究人员发现,激光能够冷却原子的数量是有限的:云变得越密集,光子散射的空间就越小;相反,他们开始发热。

在这个过程中,科学家们通常会关闭光源并切换到蒸发冷却,Vuletić称之为“像冷却咖啡杯 - 您只需等待最热的原子逸出”。但这是一个缓慢的过程,最终会消除超过99%的原始原子为了保留足够冷的原子而变成玻色 - 爱因斯坦凝聚体。

“最后,你必须从超过100万个原子开始才能得到仅含有10,000个原子的凝聚物,”Vuletić说。 “这是一小部分,也是一大缺点。”

调整扭曲

Vuletić和他的同事们找到了一种方法来解决激光冷却的最初局限性,使用激光从头到尾将原子冷却成冷凝物 - 这是一种更快,更节省原子的方法,他将其描述为物理学家之间的“长期梦想”场。

Vuletić说:“我们发明的是使其在高原子密度下工作的新方法。”

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变得如此压缩以致光子开始加热样品的点的上方。

然后,他们转而采用一种称为拉曼冷却的方法,在这种方法中,他们使用一组两个激光束进一步冷却原子。他们调整了第一束光束,使其光子被原子吸收后,将原子的动能转化为磁能。作为响应,原子减速并进一步冷却,同时仍保持其原始总能量。

然后,研究小组将第二台激光器瞄准被压缩得很多的云层,这种云层被调整的方式使得光子被较慢的原子吸收后,可以去除原子的总能量,进一步冷却它们。

“最终,光子通过两步过程消除系统的能量,”Vuletić说。 “一步就可以消除动能,而在第二步中,你可以消除总能量并减少紊乱,这意味着你已经降温了。”

他解释说,通过消除原子的动能,人们基本上可以消除它们的随机运动,并将原子转变为更类似于玻色 - 爱因斯坦凝聚体的均匀量子行为。当原子失去总能量并充分冷却到最低量子态时,这些冷凝物最终会形成。

为了达到这一点,研究人员发现他们必须进一步将原子完全冷却成冷凝物。要做到这一点,他们需要将激光器从原子共振中调出来,这意味着光可以更容易地从原子中逃脱,而不会将原子推动并加热它们。

“原子对光子几乎是透明的,”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,每个光子只能反弹一个原子。

“之前,当一个光子进入时,它被10个原子散射出来,所以它使10个原子抖动,”Vuletić说。 “如果将激光调谐到远离共振的位置,现在光子在碰到其他原子之前有很大的机会逃脱。而通过增加激光功率,您可以恢复原来的冷却速度。“

该团队发现,利用激光冷却技术,他们能够在0.1秒内将铷原子从200微开尔文冷却至1微开尔文,工艺速度比传统方法快100倍。更重要的是,该小组的最后一个玻色 - 爱因斯坦凝聚体样本含有1400个原子,来自2000个原始云,与现有方法相比,保留了更大比例的凝聚原子。

“当我是一名研究生时,人们尝试了许多不同的方法,只是使用激光冷却,但它并不奏效,人们放弃了。让这个过程更简单,更快,更强大是一个长期的梦想,“Vuletić说。 “所以我们很高兴能尝试我们的新原子种类的方法,并且我们认为我们可以在未来使它达到1,000倍大的凝聚物。”

这项研究部分得到了国家科学基金会,超冷原子中心,NASA,空军科学研究办公室和陆军研究办公室的支持。

出版物:胡家忠等,“通过激光冷却产生87Rb的玻色冷凝气体”,科学24 Nov 2017:Vol。 358,Issue 6366,第1078-1080页; DOI:10.1126 / science.aan5614

资料来源:麻省理工学院新闻社Jennifer Chu


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