Gedurende de laatste twintig jaar van de twintigste eeuw hebben atoomfysici herhaaldelijk het record voor de koudste temperatuur in het heelal gebroken. Deze prestaties berustten op een handvol verbeteringen, waaronder laserkoeling (zoals beschreven in deel 1 van deze geschiedenis), de magneto-optische val en technieken zoals Sisyphus-koeling die beter werkten dan verwacht (zoals beschreven in deel 2). In 1990 waren natuurkundigen routinematig tientallen miljoenen atomen aan het afkoelen tot temperaturen van enkele tientallen microkelvin boven het absolute nulpunt – duizend keer kouder dan conventionele cryogene technieken en een fractie van de ‘Doppler-koellimiet’ die werd voorspeld voor het laserkoelen van eenvoudige atomen.

Hoe dramatisch deze daling ook was, een nog uitdagender temperatuurdaling wenkte: een verdere factor 1000, van microkelvin tot nanokelvin. Deze extra daling zou een nieuw domein van de natuurkunde introduceren dat bekend staat als kwantumdegeneratie. Hier dwingen lage temperaturen en hoge dichtheden atomen in een van de twee exotische toestanden van materie: ofwel Bose-Einstein-condensaat (BEC), waarin alle atomen in een gas samensmelten tot dezelfde kwantumtoestand, of een gedegenereerd Fermi-gas (DFG), waarin de totale energie van het gas niet meer afneemt omdat alle beschikbare energietoestanden vol zijn (figuur 1).

BEC's en DFG's zijn puur kwantumfenomenen, en de totale spin van een atoom bepaalt welke van hen zich zal vormen. Als het atoom een ​​even aantal elektronen, protonen en neutronen heeft, is het een boson en kan het BEC ondergaan. Als het totaal oneven is, is het een fermion en kan het een DFG maken. Verschillende isotopen van hetzelfde element gedragen zich soms op tegengestelde manieren – natuurkundigen hebben BEC’s gemaakt van lithium-7 en DFG’s met lithium-6 – en dit verschil in gedrag bij lage temperaturen is een van de meest dramatische demonstraties van de fundamentele scheiding tussen kwantumdeeltjes.

1 Kwantumstatistieken in actie

Bij hoge temperaturen zijn zowel bosonen (blauwe stippen) als fermionen (groene stippen) verdeeld over een breed scala van beschikbare energietoestanden. Wanneer ze uit een val worden losgelaten, zetten ze zich naar buiten uit en vormen een bolvormige wolk met een breedte die hun temperatuur weerspiegelt. Naarmate de atomen afkoelen, verschuiven ze naar lagere energietoestanden en neemt de omvang van de wolk af. Terwijl bosonen echter meerdere atomen in dezelfde toestand kunnen hebben, kunnen fermionen in elke toestand slechts één atoom hebben. Onder een bepaalde kritische temperatuur zorgt dit feit ervoor dat bijna alle bosonen zich in één energietoestand verzamelen en een Bose-Einstein-condensaat vormen, dat verschijnt als een kleine en zeer dichte klomp in het midden van de wolk. In een gedegenereerd Fermi-gas daarentegen zijn alle lage-energietoestanden gevuld, zodat de wolk niet verder kan krimpen. De experimentele afbeeldingen in het midden van dit diagram laten wolken van bosonische (links) en fermionische (rechts) lithiumatomen zien die zich verschillend gedragen als ze worden afgekoeld. Hier, T_F is de Fermi-temperatuur, die het begin markeert van kwantumdegeneratie in fermionen.

Net als bij eerdere doorbraken die in deze serie worden beschreven, kwam de duik naar kwantumdegeneratie tot stand dankzij nieuwe technologieën die werden geïntroduceerd in onderzoekslaboratoria verspreid over de hele wereld. En – net als bij de eerdere ontwikkelingen – kwam een ​​van deze technologieën geheel toevallig tot stand.

Laserkoeling goedkoop

In het midden van 1980s, Karel Wieman bestudeerde pariteitsschending in cesiumatomen aan de Universiteit van Colorado, Boulder, in de VS. Deze onderzoeken vereisen tijdrovende en veeleisende spectroscopiemetingen, aldus Wiemans promovendus Rijke watt een manier ontwikkeld om ze te doen met behulp van diodelasers zoals degene die met miljoenen exemplaren worden vervaardigd voor cd-spelers.

Na jarenlang uit te hebben gezocht hoe deze goedkope, solid-state apparaten te stabiliseren en te controleren, wilde Watts (redelijkerwijs) zijn doctoraat afronden, dus zochten hij en Wieman naar een experiment voor de kortere termijn om ze te testen. Het antwoord dat ze tegenkwamen was laserkoeling. “Het was een leuk bijzaakje om de scriptie van deze student af te ronden”, herinnert Wieman zich, “en zo kwam ik helemaal in aanraking met [laserkoeling].”

In 1986 werden Watts en Wieman de eerst om een ​​straal cesiumatomen met een laser af te koelen. Watts was ook de eerste die rubidium laserkoelde, als postdoc Hal Metcalf van de Stony Brook Universiteit in New York, en hij nam deel aan de baanbrekende experimenten die aantoonden dat er sprake was van sub-Doppler-afkoeling Bill phillips’-lab van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) in Gaithersburg, Maryland. Maar net als een andere belangrijke speler die we in deze geschiedenis zullen ontmoeten, verliet Watts het podium echter te vroeg en stierf in 39 op slechts 1996-jarige leeftijd.

Wieman had ondertussen een nieuw wetenschappelijk doelwit nodig, iets dat alleen met koude atomen kon worden gedaan. Hij vond het, samen met nieuwe collega's en concurrenten, in een heel oud idee met een onberispelijke wetenschappelijke achtergrond: Bose-Einstein-condensatie.

Een race naar de bodem

in 1924 Satyendra Nath Bose was natuurkundige aan de Universiteit van Dhaka in wat nu Bangladesh is. Terwijl hij lesgaf in het nieuwe en zich snel ontwikkelende gebied van de kwantumfysica, realiseerde hij zich dat de formule van Max Planck voor het spectrum van licht van een heet object kon worden afgeleid uit de statistische regels die het gedrag van fotonen beheersen, die veel waarschijnlijker zijn dan klassieke deeltjes. gevonden in dezelfde staten.

Bose had problemen om zijn werk gepubliceerd te krijgen, dus stuurde hij een exemplaar naar Albert Einstein, die er zo dol op was dat hij ervoor zorgde dat het werd gepubliceerd. gepubliceerd Zeitschrift voor Physik naast een eigen papier. De bijdragen van Einstein omvatten onder meer het uitbreiden van fotonenstatistieken naar andere soorten deeltjes (inclusief atomen) en het wijzen op een interessant gevolg: bij zeer lage temperaturen is de meest waarschijnlijke toestand van het systeem dat alle deeltjes dezelfde energietoestand innemen.

Deze collectieve toestand wordt nu een BEC genoemd en hangt nauw samen met superfluiditeit en supergeleiding, die worden waargenomen in vloeistoffen en vaste stoffen (respectievelijk) bij temperaturen nabij het absolute nulpunt. De BEC-transitie zelf zou echter in principe kunnen plaatsvinden in een verdund gas van atomen – net zoals atoomfysici in de jaren zeventig begonnen te creëren.

Er waren echter een paar barrières. Eén daarvan is dat de kritische temperatuur waarbij een BEC ontstaat, wordt bepaald door de dichtheid: hoe lager de dichtheid, hoe lager de kritische temperatuur. Hoewel Sisyphus-koeling microkelvin-temperaturen mogelijk maakte, zijn lasergekoelde atomaire dampen zo diffuus dat hun overgangstemperatuur zelfs nog lager is, in het nanokelvin-bereik. Het is ook lager dan de “terugslagtemperatuur” die gepaard gaat met atomen die een enkel foton absorberen of uitzenden. Het koelen onder deze grens moet daarom zonder lasers gebeuren.

Eén verdamping tegelijk

De algemene oplossing voor deze problemen kwam van Daniël Kleppner en collega's van het Massachusetts Institute of Technology (MIT). Het is vergelijkbaar met het mechanisme dat een kopje thee afkoelt. De watermoleculen in de thee bewegen met verschillende snelheden, en de snelste hebben genoeg energie om los te breken en weg te drijven als waterdamp. Omdat deze ‘ontsnappingen’ een meer dan gemiddelde hoeveelheid energie met zich meedragen, worden de resterende moleculen uiteindelijk kouder. Zodra de energie in hun beweging opnieuw wordt verdeeld door botsingen tussen moleculen, bereikt het systeem een ​​nieuw evenwicht bij een lagere temperatuur (figuur 2).

De methode van Kleppner staat bekend als verdampingskoeling en vereist twee elementen: een manier om selectief de heetste atomen uit de val te verwijderen, en een snelheid van botsingen tussen atomen die hoog genoeg is om het monster daarna opnieuw in evenwicht te brengen. Het eerste element ging hand in hand met de oplossing voor het probleem van de terugslag van fotonen: atomen kunnen ‘in het donker’ worden gehouden door ze over te brengen van een magneto-optische val (MOT) naar een puur magnetische val zoals die Phillips voor het eerst maakte. in 1983. De hogere energie van de 'hete' atomen vereist een groter magnetisch veld om ze op te sluiten, en dit grote magnetische veld veroorzaakt een Zeeman-verschuiving in de energieniveaus van de atomen. Een goed afgestemd radiofrequentiesignaal kan dus de ‘hete’ atomen in dit hoge veld in een niet-gevangen toestand brengen zonder de koudere atomen te verstoren. De koudere atomen die achterblijven, zijn ook beperkt tot een kleiner volume, dus naarmate de temperatuur daalt, neemt de dichtheid toe, waardoor het systeem op twee manieren dichter bij BEC komt.

2 Hoe laag kun je gaan

Verdampingskoeling werkt door het verwijderen van de atomen met de hoogste energie (rood) uit een opgesloten damp die een groot aantal atomen bevat, verdeeld over de beschikbare energietoestanden in de val. De achtergebleven atomen zullen botsingen ondergaan die de totale energie over de atomen herverdelen. Hoewel sommigen van hen energie zullen winnen (oranje), zal de gemiddelde energie (en dus de temperatuur) lager zijn, zoals aangegeven door de stippellijnen. Dit proces van het verwijderen van hete atomen en het herverdelen van energie wordt vervolgens herhaald, waardoor de temperatuur verder daalt.

Het botsingsprobleem ligt echter buiten de handen van experimentatoren. De relevante snelheid wordt beschreven door een enkele parameter: de zogenaamde verstrooiingslengte voor een paar botsende atomen in bepaalde toestanden. Als deze verstrooiingslengte matig groot en positief is, zal de verdamping snel verlopen en zal het resulterende condensaat stabiel zijn. Als de verstrooiingslengte te klein is, zal de verdamping erg langzaam zijn. Als deze negatief is, zal het condensaat instabiel zijn.

De voor de hand liggende oplossing is het kiezen van een atoom met de juiste verstrooiingslengte, maar deze parameter blijkt buitengewoon moeilijk te berekenen op basis van de eerste principes. Het moet empirisch worden vastgesteld, en begin jaren negentig had niemand de noodzakelijke experimenten gedaan. Bijgevolg kozen de groepen die BEC begonnen na te streven verschillende elementen uit het periodiek systeem, elk in de hoop dat ‘hun’ ‘goed’ zou blijken te zijn. Wieman en zijn nieuwe collega Erik Kornel schakelde zelfs over van cesium naar rubidium omdat de twee stabiele isotopen van rubidium hun kansen verdubbelden.

“Dat zal nooit werken”

Omdat een MOT eenvoudigweg in een puur magnetische val kan worden veranderd door de lasers uit te schakelen en meer stroom door de magneetspoelen te laten lopen, waren de eerste stappen in de richting van BEC een eenvoudige uitbreiding van experimenten met laserkoeling. De resulterende “quadrupole trap”-configuratie heeft slechts één groot probleem: het veld in het midden van de val is nul, en bij een veld nul kunnen atomen hun interne toestand veranderen in een toestand waarin ze niet meer gevangen zitten. Om dit “lek” van atomen uit het valcentrum te dichten, moet een manier worden gevonden om te voorkomen dat de gevangen atomen van toestand veranderen.

Jarenlang was dit een belangrijk onderzoeksgebied op het gebied van laserkoeling. Naast Cornell en Wieman was een van de belangrijkste kanshebbers in de steeds intensievere BEC-race Wolfgang Ketterle van MIT. Zijn groep ontwikkelde een manier om atomen weg te duwen uit het nulveldgebied met behulp van een blauw-ontstemde laser die als een ‘plug’ op het midden van de valstrik was gericht. Cornell en Wieman gebruikten op hun beurt een volledig magnetische techniek die zij een time orbiting potentiaalval (TOP) noemden.

Cornell ontwikkelde de TOP op een vlucht terug van een conferentie begin 1994, gedeeltelijk ingegeven door de noodzaak om de verstoring van hun apparatuur te beperken. Hoewel hij en Wieman geen ruimte hadden voor nog een laserstraal, konden ze een kleine extra spoel toevoegen rond een as loodrecht op de quadrupoolspoelen, en dat zou de nulveldpositie verschuiven. Atomen in de val zouden natuurlijk naar het nieuwe nulpunt bewegen, maar niet snel. Als ze twee kleine spoelen op verschillende assen zouden gebruiken, aangedreven door oscillerende stromen, om de nul een paar honderd keer per seconde in een cirkel te verplaatsen, zou dat genoeg kunnen zijn om hem, in de woorden van Cornell, ‘overal te houden waar de atomen niet zijn’.

Ze testten het idee die zomer met behulp van een kleine spoel, aangedreven door een goedkope audioversterker. In eerste instantie zorgde het toegevoegde veld ervoor dat de spoelen rond hun glasdampcel alarmerend rammelden, en de aangedreven spoelen een doordringend, hoog gejank maakten, maar het principe klopte, dus bouwden ze een stevigere versie. Een paar maanden later, begin 1995, besprak Cornell valstrikplannen met Ketterle, en kwam weg met de gedachte dat de optische stekker van het MIT-team ‘nooit zou werken. Het wordt eigenlijk een groot, oud roerstokje dat naar binnen wijst. Hij erkent echter dat Ketterle misschien hetzelfde dacht over de TOP: “Hij denkt waarschijnlijk: ‘Dat is het stomste idee dat ik ooit in mijn leven heb gehoord.’ Dus we gingen allebei heel tevreden weg van dat gesprek.”

Het bleek dat beide technieken inderdaad werkten. Cornell en Wieman waren de eersten die dit aantoonden door een reeks experimenten uit te voeren waarbij ze een laserstraal door hun koude atoomwolk lieten schijnen. Tijdens deze ‘snapshots’ absorbeerden atomen in de wolk fotonen van de laser, waardoor er een schaduw in de straal achterbleef. De diepte van deze schaduw was een maatstaf voor de dichtheid van de wolk, terwijl de grootte van de wolk de temperatuur van de atomen aangaf. Naarmate de verdamping vorderde, lieten de momentopnamen een bolvormig symmetrische wolk van atomen zien die langzaam kleiner werd en afkoelde naarmate hete atomen geleidelijk werden verwijderd.

Toen, in juni 1995, gebeurde er bij een temperatuur van ongeveer 170 nanokelvin iets dramatisch: er verscheen een kleine donkere vlek in het midden van hun beelden, die atomen voorstelde met een drastisch lagere temperatuur en hogere dichtheid. Cornell zegt dat het niet lang duurde om erachter te komen wat er aan de hand was: “De centrale dichtheid schiet gewoon omhoog. Wat gebeurt daar anders dan de condensatie van Bose-Einstein?”

Om hun vermoedens te bevestigen, hebben hij en Wieman enkele van hun schaduwbeelden omgezet in de inmiddels iconische driedimensionale plots (zie de afbeelding ‘Het coolste resultaat’), waarbij de thermische atomen als een breed voetstuk en de BEC als een ‘piek’ tevoorschijn komen. het midden. De vorm van de piek – breder in de ene richting dan de andere – codeerde een aanwijzing. Omdat hun TOP-val in verticale richting sterker was dan in horizontale richting, werd het condensaat in die richting strakker samengedrukt, waardoor het na vrijlating sneller in die richting uitbreidde. Hoewel ze deze vormverandering niet hadden voorspeld, konden ze deze snel verklaren, wat bijdroeg aan hun vertrouwen dat ze de ‘heilige graal’ van BEC hadden bereikt.

Cornell en Wieman maakten hun resultaten begin juni 1995 bekend (ongebruikelijk voor die tijd) tijdens een persconferentie. Hun artikel werd gepubliceerd in Wetenschap de volgende maand. In september produceerden Ketterle en collega's hun eigen reeks 3D-grafieken die een soortgelijke "piek" lieten zien toen hun wolk van natriumatomen de overgangstemperatuur bereikte. Cornell, Wieman en Ketterle deelden vervolgens de 2001 Nobelprijs voor Natuurkunde voor het bereiken van BEC in verdunde atomaire dampen.

Fermions krijgen hun kampioen

In de eerste maanden van 1995 rekruteerde Cornell een nieuwe postdoc, Deborah “Debbie” Jin. Haar echtgenoot John Bohn, een natuurkundige bij NIST in Boulder, herinnert zich dat Cornell zei: “Veel mensen zullen je vertellen dat BEC nog jaren verwijderd is, maar ik denk echt dat we het gaan doen.” Hij had gelijk: de eerste BEC vond plaats tussen het moment waarop Jin ermee instemde de baan aan te nemen en het moment waarop ze begon te werken.

Jin kwam uit een andere onderzoeksgemeenschap – haar proefschrift ging over exotische supergeleiders – maar ze leerde al snel over lasers en optica, en speelde een sleutelrol in vroege experimenten waarin de eigenschappen van BEC werden onderzocht. Als rijzende ster kreeg ze talloze aanbiedingen voor een vaste baan, maar ze koos ervoor om bij JILA te blijven, een hybride instelling die expertise van de Universiteit van Colorado en NIST combineert. Om haar werk te onderscheiden van dat van Cornell en Wieman, besloot ze daar de andere klasse van gedrag bij ultralage temperaturen na te streven: gedegenereerde Fermi-gassen.

Waar bosonen worden beheerst door statistische regels die het waarschijnlijker maken dat twee van hen zich in dezelfde energietoestand bevinden, is het absoluut verboden voor fermionen om toestanden te delen. Toegepast op elektronen is dit het uitsluitingsprincipe van Pauli dat een groot deel van de chemie verklaart: elektronen in een atoom ‘vullen’ de beschikbare energietoestanden op, en de exacte toestand van de laatste elektronen bepaalt de chemische eigenschappen van een bepaald element. Fermionische atomen in een magnetische val volgen een soortgelijke regel: naarmate het gas afkoelt, vullen de laagste toestanden zich. Maar op een gegeven moment zijn alle lage-energietoestanden vol en kan de wolk niet verder krimpen. Net als bij BEC is dit een puur kwantumfenomeen, dat niets te maken heeft met interacties tussen de deeltjes, en dus waarneembaar zou moeten zijn in een gas van ultrakoude atomen.

Jin begon in 1997 bij JILA met een enkele afgestudeerde student, Brian DeMarco, die door Cornell was ingehuurd, maar op aanraden van Cornell bij Jin ging werken. Zoals DeMarco zich herinnert, zei Cornell tegen hem: "Als jij en Debbie de eerste mensen kunnen zijn die een DFG maken, zal dat een groot probleem zijn, en er is een goede kans om het te doen."

Het paar begon met een leeg laboratorium, waar zelfs meubilair ontbrak. Bohn herinnert zich dat ze op de grond zaten in het kantoor dat hij deelde met Jin, terwijl ze elektronica assembleerden voor hun toekomstige lasers. Binnen een jaar hadden ze echter een werkend apparaat voor het magnetisch vangen en verdampen van fermionische kaliumatomen.

De zoektocht naar een DFG brengt twee uitdagingen met zich mee die verder gaan dan die in de BEC-race. De eerste hiervan is dat bij ultralage temperaturen de botsingen die nodig zijn voor de herbalanceringsstap van verdampingskoeling niet meer plaatsvinden, omdat het verbod op twee fermionen die zich in dezelfde toestand bevinden, hen ervan weerhoudt met elkaar in botsing te komen. Om dit op te lossen plaatsten Jin en DeMarco de helft van hun atomen in een andere interne toestand, waardoor er voldoende botsingen tussen de staten ontstonden om verdamping mogelijk te maken. Aan het einde van het proces konden ze een van de twee toestanden verwijderen en de rest in beeld brengen.

Het tweede probleem is dat, hoewel de experimentele signatuur van BEC een gigantische dichtheidspiek in het midden van de atoomwolk is, de degeneratie van Fermi subtieler is. Het belangrijkste fenomeen van atomen die weigeren samen te klonteren manifesteert zich op ondramatische wijze in de vorm van het feit dat de wolk niet langer verder krimpt zodra de overgangstemperatuur is bereikt. Om uit te vinden hoe het gedegenereerde gas van de thermische wolk te onderscheiden was, waren zorgvuldige modellen nodig en een beeldvormingssysteem dat op betrouwbare wijze kleine veranderingen in de vorm van de verdeling kon meten.

Ondanks deze uitdagingen publiceerden Jin en DeMarco slechts 18 maanden nadat ze met een lege kamer waren begonnen, de eerste waarneming van een gedegenereerd Fermi-gas. Een paar jaar later kwamen teams onder leiding van Ketterle, Randy Hulet aan de Rijstuniversiteit, Christophe Salomon bij ENS in Parijs, en John Thomas aan Duke University, gevolgd.

Jin ging ondertussen lasers en magnetische velden gebruiken om gedegenereerde atomen in moleculen om te zetten, waarmee hij nieuwe grenzen opende in de ultrakoude chemie. Dit werk kreeg talloze onderscheidingen, waaronder a MacArthur Foundation “geniale subsidie” I I Rabi-prijs van de American Physical Society (APS) en de Isaac Newton-medaille van het Institute of Physics. Jin zou ook voor de zoveelste Nobelprijs voor de fysica van ultrakoude atomen zijn geweest, maar helaas stierf aan kanker in 2016, en de prijs wordt niet postuum toegekend.

Maar afgezien van de prijzen is de nalatenschap van Jin aanzienlijk. Het deelgebied waarmee ze begon is uitgegroeid tot een van de belangrijkste gebieden van de atoomfysica, en haar voormalige studenten en collega's blijven leiding geven aan de studie van ultrakoude fermionen. Als erkenning voor haar toewijding aan mentorschap heeft de APS een jaarlijkse Deborah Jin Award in het leven geroepen voor uitmuntend doctoraalscriptieonderzoek in atoom-, moleculaire of optische fysica.

Een geschiedenis van voortdurende ontdekkingen

Deze serie beslaat iets meer dan een halve eeuw. Gedurende die tijd veranderde het idee om lasers te gebruiken om atomen te manipuleren van een ijdele nieuwsgierigheid in de geest van een enkele natuurkundige van Bell Labs naar een fundamentele techniek voor een groot aantal geavanceerde natuurkunde. Lasergekoelde ionen zijn nu een van de belangrijkste platforms voor de ontwikkeling van de kwantuminformatiewetenschap. Lasergekoelde neutrale atomen vormen de basis voor ‘s werelds beste atoomklokken. En de kwantum-degeneratieve systemen die voor het eerst werden waargenomen door Cornell, Wieman, Ketterle en Jin brachten een enorm subveld voort dat de atomaire fysica verbindt met de fysica en de chemie van de gecondenseerde materie. Lasergekoelde atomen blijven van vitaal belang voor natuurkundig onderzoek, en in laboratoria over de hele wereld wordt dagelijks nieuwe geschiedenis geschreven.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/coldest-how-a-letter-to-einstein-and-advances-in-laser-cooling-technology-led-physicists-to-new-quantum-states-of-matter/