В физике конденсированного состояния ультрахолодный атом — это атом с температурой , близкой к абсолютному нулю . При таких температурах квантово-механические свойства атома становятся важными.
Для достижения таких низких температур обычно приходится использовать комбинацию нескольких методов. [1] Сначала атомы захватываются и предварительно охлаждаются с помощью лазерного охлаждения в магнитооптической ловушке . Для достижения максимально низкой 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, 1989, 1996, 1997, 2001, 2005, 2012, 2018).
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 кроссовер БЭК-БКШ. [2] Некоторые из этих направлений исследований используют системы ультрахолодных атомов в качестве квантовых симуляторов для изучения физики других систем, включая унитарный ферми-газ и модели Изинга и Хаббарда . [3] Ультрахолодные атомы также могут быть использованы для реализации квантовых компьютеров. [4] [5]
Образцы ультрахолодных атомов обычно готовятся посредством взаимодействия разбавленного газа с лазерным полем. Доказательства радиационного давления, силы, действующей на атомы, были продемонстрированы независимо Лебедевым, Николсом и Халлом в 1901 году. В 1933 году Отто Фриш продемонстрировал отклонение отдельных частиц натрия светом, генерируемым натриевой лампой.
Изобретение лазера подстегнуло разработку дополнительных методов манипулирования атомами с помощью света. Использование лазерного света для охлаждения атомов было впервые предложено в 1975 году путем использования эффекта Доплера, чтобы сделать силу излучения на атоме зависящей от его скорости, метод, известный как доплеровское охлаждение . Аналогичные идеи были также предложены для охлаждения образцов захваченных ионов. Применение доплеровского охлаждения в трех измерениях замедлит атомы до скоростей, которые обычно составляют несколько см/с, и произведет то, что известно как оптическая патока . [6]
Обычно источником нейтральных атомов для этих экспериментов были тепловые печи, которые производили атомы при температуре в несколько сотен кельвинов. Атомы из этих источников печей движутся со скоростью сотни метров в секунду. Одной из основных технических проблем доплеровского охлаждения было увеличение времени, в течение которого атом может взаимодействовать с лазерным светом. Эта проблема была преодолена путем введения замедлителя Зеемана . Замедлитель Зеемана использует пространственно изменяющееся магнитное поле для поддержания относительного энергетического интервала атомных переходов, участвующих в доплеровском охлаждении. Это увеличивает время, которое атом проводит во взаимодействии с лазерным светом. В экспериментах также можно использовать металлические дозаторы, которые представляют собой стержни из чистого металла (обычно щелочных металлов ), которые могут излучать при нагревании ( давление паров выше) электрический ток.
Разработка первой магнитооптической ловушки (МОЛ) Раабом и др. в 1987 году стала важным шагом на пути к созданию образцов ультрахолодных атомов. Типичные температуры, достигаемые с помощью МОЛ, составляют от десятков до сотен микрокельвинов. По сути, магнитооптическая ловушка удерживает атомы в пространстве, применяя магнитное поле, так что лазеры не только обеспечивают зависящую от скорости силу, но и пространственно изменяющуюся силу. Нобелевская премия 1997 года [6] по физике была присуждена за разработку методов охлаждения и захвата атомов с помощью лазерного света и была разделена между Стивеном Чу , Клодом Коэном-Тануджи и Уильямом Д. Филлипсом .
Испарительное охлаждение использовалось в экспериментальных попытках достичь более низких температур в попытке открыть новое состояние вещества, предсказанное Сатьендра Натом Бозе и Альбертом Эйнштейном, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК). При испарительном охлаждении самые горячие атомы в образце высвобождаются, что снижает среднюю температуру образца. Нобелевская премия в 2001 году [1] была присуждена Эрику А. Корнеллу , Вольфгангу Кеттерле и Карлу Э. Виману за достижение конденсата Бозе-Эйнштейна в разбавленных газах щелочных атомов и за ранние фундаментальные исследования свойств конденсатов.
В последние годы различные методы субдоплеровского охлаждения , включая охлаждение с помощью градиента поляризации , охлаждение серой патокой и охлаждение боковой полосы Рамана , позволили охлаждать и захватывать отдельные атомы в оптических пинцетах . [7] [8] [9] Экспериментальные платформы, использующие ультрахолодные нейтральные атомы в оптических пинцетах и оптических решетках, становятся все более популярными для изучения квантовых вычислений, квантового моделирования и прецизионной метрологии . Атомы с замкнутыми циклическими переходами, способные рассеивать множество фотонов с низкой вероятностью распада в другие состояния, являются обычным выбором видов для экспериментов с ультрахолодными нейтральными атомами. Тонкие структурные переходы с наименьшей энергией в щелочных атомах позволяют получать флуоресцентные изображения, в то время как комбинация сверхтонких и зеемановских подуровней может использоваться для реализации субдоплеровского охлаждения. Щелочноземельные атомы также приобрели популярность благодаря переходам охлаждения с узкой шириной линии и сверхузким оптическим часовым переходам.
Ультрахолодные атомы имеют множество применений благодаря своим уникальным квантовым свойствам и большому экспериментальному контролю, доступному в таких системах. Например, ультрахолодные атомы были предложены в качестве платформы для квантовых вычислений и квантового моделирования [10] , сопровождаемые очень активными экспериментальными исследованиями для достижения этих целей.
Квантовое моделирование представляет большой интерес в контексте физики конденсированного состояния, где оно может предоставить 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 значительно отличаться от инструментов, доступных в реальной системе конденсированного состояния, таким образом можно экспериментально исследовать недоступные в противном случае величины. Более того, ультрахолодные атомы могут даже позволить создавать экзотические состояния материи, которые иначе невозможно наблюдать в природе.
Все атомы идентичны, что делает ансамбли атомов идеальными для универсального хронометража. В 1967 году определение секунды в системе СИ было изменено для ссылки на частоту сверхтонкого перехода в атомах цезия. Атомные часы на основе щелочноземельных атомов или щелочноземельных ионов (таких как Al + ) в настоящее время разрабатываются с использованием оптических переходов с узкой линией. Для достижения большого количества невзаимодействующих атомов, что способствует точности этих часов, нейтральные атомы могут быть захвачены в оптические решетки. С другой стороны, ионные ловушки допускают длительное время опроса.
Ультрахолодные атомы также используются в экспериментах для точных измерений, которые возможны благодаря низкому тепловому шуму и, в некоторых случаях, благодаря использованию квантовой механики для превышения стандартного квантового предела. Помимо потенциальных технических приложений, такие точные измерения могут служить проверкой нашего текущего понимания физики.