В физике конденсированного состояния ультрахолодный атом — это атом с температурой , близкой к абсолютному нулю . При таких температурах становятся важными квантово-механические свойства атома .
Для достижения таких низких температур обычно приходится использовать комбинацию нескольких методов. [1] Сначала атомы улавливаются и предварительно охлаждаются посредством лазерного охлаждения в магнитооптической ловушке . Для достижения минимально возможной температуры дальнейшее охлаждение осуществляют 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 , спиновую динамику многих тел, состояния Ефимова , сверхтекучесть Бардина-Купера-Шриффера (БКШ) и БЭК. – кроссовер БКС. [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 путем взаимодействия разбавленного газа с лазерным полем. Доказательства радиационного давления, силы света, воздействующей на атомы, были независимо продемонстрированы Лебедевым, Николсом и Халлом в 1901 году. В 1933 году Отто Фриш продемонстрировал отклонение отдельных частиц натрия под действием света, генерируемого натриевой лампой.
Изобретение лазера стимулировало разработку дополнительных методов управления атомами с помощью света. Использование лазерного света для охлаждения атомов было впервые предложено в 1975 году с использованием эффекта Доплера, позволяющего сделать силу излучения, действующую на атом, зависимой от его скорости. Этот метод известен 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 создаст так называемую оптическую патоку . [6]
Обычно источником нейтральных атомов для этих экспериментов были термические печи, в которых производились атомы при температуре в несколько сотен Кельвинов. Атомы этих печных источников 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 решена благодаря внедрению Zeeman Slower . Zeeman Slower использует пространственно изменяющееся магнитное поле для поддержания относительного энергетического расстояния между атомными переходами, участвующими в доплеровском охлаждении. Это увеличивает количество времени, 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 при нагревании ( давление пара выше) могут излучать электрический ток.
Разработка первой магнитооптической ловушки (МОЛ) Раабом и др. 1987 г. стал важным шагом на пути создания образцов ультрахолодных атомов. Типичные температуры, достигаемые с помощью MOT, составляют от десятков до сотен микрокельвинов. По сути, магнитооптическая ловушка удерживает атомы в пространстве, применяя магнитное поле, так что лазеры создают не только силу, зависящую от скорости, но и пространственно изменяющуюся силу. Нобелевская премия 1997 года [6] по физике была присуждена за разработку методов охлаждения и улавливания атомов с помощью лазерного света, ее разделили Стивен Чу , Клод Коэн-Таннуджи и Уильям Д. Филлипс .
Испарительное охлаждение использовалось в экспериментальных попытках достичь более низких температур в попытке открыть новое состояние вещества, предсказанное Сатьендрой Нат Бозе и Альбертом Эйнштейном, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК). При испарительном охлаждении самые горячие атомы образца могут уйти, что снижает среднюю температуру образца. Нобелевская премия 2001 года [1] была присуждена Эрику А. Корнеллу , Вольфгангу Кеттерле и Карлу Э. Виману за открытие конденсата Бозе-Эйнштейна в разбавленных газах с атомами щелочных металлов, а также за ранние фундаментальные исследования свойств конденсатов.
В последние годы различные методы субдоплеровского охлаждения , включая охлаждение градиентом поляризации , охлаждение серой патокой и охлаждение боковой полосы комбинационного рассеяния , позволили охлаждать и улавливать одиночные атомы в оптических пинцетах . [7] [8] [9] Экспериментальные платформы, использующие ультрахолодные нейтральные атомы в оптических пинцетах и оптических решетках, становятся все более популярными объектами для изучения квантовых вычислений, квантового моделирования и точной метрологии . Атомы с замкнутыми циклическими переходами, способные рассеивать множество фотонов с низкой вероятностью распада в другие состояния, являются частым выбором для экспериментов с ультрахолодными нейтральными атомами. Переходы тонкой структуры с самой низкой энергией в щелочных атомах позволяют получать флуоресцентные изображения, а комбинация сверхтонких и зеемановских подуровней может использоваться для реализации субдоплеровского охлаждения. Щелочноземельные атомы также приобрели популярность благодаря охлаждающим переходам 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] и сопровождались 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 конденсированной системы, которую затем можно исследовать с помощью инструментов, доступных в конкретной реализации. Поскольку эти инструменты могут сильно отличаться от тех, которые доступны в реальной системе конденсированного состояния, можно таким образом экспериментально исследовать недоступные иначе количества. 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 измерения времени. В 1967 году определение секунды в системе SI было изменено и теперь относится к частоте сверхтонкого перехода в атомах цезия. Атомные часы на основе атомов щелочноземельных металлов или щелочноземельных ионов (таких как Al + ) в настоящее время разработаны с использованием узколинейных оптических переходов. Чтобы добиться большого количества невзаимодействующих атомов, что способствует точности этих часов, нейтральные атомы можно захватить в оптические решетки. С другой стороны, ионные ловушки допускают длительное время опроса.
Ультрахолодные атомы также используются в экспериментах для точных измерений, что обеспечивается низким тепловым шумом и, в некоторых случаях, использованием квантовой механики для превышения стандартного квантового предела. Помимо потенциальных технических применений, такие прецизионные измерения могут служить проверкой нашего нынешнего понимания физики.