В экспериментальной физике магнитная ловушка — это аппарат, который использует градиент магнитного поля для захвата нейтральных частиц с магнитными моментами . Хотя такие ловушки использовались для многих целей в физических исследованиях, они наиболее известны как последняя стадия охлаждения атомов для достижения конденсации Бозе-Эйнштейна . Магнитная ловушка (как способ захвата очень холодных атомов) была впервые предложена Дэвидом Э. Притчардом .
Многие атомы имеют магнитный момент; их энергия смещается в магнитном поле согласно формуле
Согласно принципам квантовой механики магнитный момент атома будет квантован ; то есть он примет одно из определенных дискретных значений. Если атом поместить в сильное магнитное поле, его магнитный момент будет выровнен с полем. Если несколько атомов поместить в одно и то же поле, они будут распределены по различным допустимым значениям магнитного квантового числа для этого атома.
Если на однородное поле накладывается градиент магнитного поля, те атомы, магнитные моменты которых выровнены с полем, будут иметь более низкие энергии в более сильном поле. Подобно мячу, катящемуся с холма, эти атомы будут стремиться занимать места с более сильными полями и известны как атомы «стремящиеся к сильному полю». И наоборот, те атомы, магнитные моменты которых выровнены против поля, будут иметь более высокие энергии в более сильном поле, стремятся занимать места с более слабыми полями и называются атомами «стремящиеся к слабому полю».
Невозможно создать локальный максимум величины магнитного поля в свободном пространстве; однако, локальный минимум может быть создан. Этот минимум может захватывать атомы, которые стремятся к низкому полю, если у них недостаточно кинетической энергии, чтобы вырваться из минимума. Обычно магнитные ловушки имеют относительно неглубокие минимумы поля и способны захватывать только атомы, кинетическая энергия которых соответствует температурам в доли кельвина . Минимумы поля, необходимые для магнитного захвата, могут быть созданы различными способами. К ним относятся ловушки с постоянными магнитами, ловушки конфигурации Иоффе, ловушки QUIC и другие.
Минимальная величина магнитного поля может быть реализована с помощью «атомного микрочипа». [1] Одна из первых атомных ловушек на основе микрочипа показана справа. Z-образный проводник (на самом деле золотая Z-образная полоса, нарисованная на поверхности Si) помещается в однородное магнитное поле (источник поля на рисунке не показан). В ловушку попадали только атомы с положительной энергией спинового поля. Чтобы предотвратить смешивание спиновых состояний, внешнее магнитное поле было наклонено в плоскости чипа, обеспечивая адиабатическое вращение спина при движении атома. В первом приближении величина (но не ориентация) магнитного поля отвечает за эффективную энергию захваченного атома. Показанный чип имеет размеры 2 см x 2 см; этот размер был выбран для простоты изготовления. В принципе, размер таких ловушек на основе микрочипа может быть радикально уменьшен. Массив таких ловушек может быть изготовлен с помощью обычных литографических методов; такой массив считается прототипом ячейки памяти q-bit для квантового компьютера . Разрабатываются способы перемещения атомов и/или кубитов между ловушками; предполагается адиабатическое оптическое (с нерезонансными частотами) и/или электрическое управление (с дополнительными электродами).
Конденсация Бозе-Эйнштейна (БЭК) требует условий очень низкой плотности и очень низкой температуры в газе атомов. Лазерное охлаждение в магнитооптической ловушке (МОЛ) обычно используется для охлаждения атомов до микрокельвинового диапазона. Однако лазерное охлаждение ограничено импульсными отдачами, которые атом получает от отдельных фотонов. Достижение БЭК требует охлаждения атомов за пределами лазерного охлаждения, что означает, что лазеры, используемые в МОЛ, должны быть выключены и разработан новый метод улавливания. Магнитные ловушки использовались для удержания очень холодных атомов, в то время как испарительное охлаждение снизило температуру атомов достаточно для достижения БЭК.
