Atome „verstecken“? Diese kühne Idee brach erfolgreich den atomaren Tieftemperaturrekord

Da die Temperaturen, auf die Atome gekühlt werden können, immer weiter sinken, haben die Physiker die „Doppler-Kühlgrenze“ durchbrochen und nähern sich allmählich der „Sub-Doppler-Kühlgrenze“. Um Atome weiter abzukühlen, müssen weitere Probleme überwunden werden. Beispielsweise können die Streuwechselwirkung zwischen Atomen und Laserstrahlen sowie der Rückstoßeffekt von Photonen bei spontaner Strahlung dazu führen, dass sich Atome in einem Zufallszustand befinden, wodurch es für die Atome schwierig wird, vollständig zur Ruhe zu kommen.

Mit anderen Worten: Diese Atome, die unter großen Schwierigkeiten in einen nahezu statischen Zustand abgekühlt wurden, werden durch den Rückstoß der Photonen wieder erhitzt, wodurch ein dynamisches thermisches Gleichgewicht zwischen „Laserkühlung – Rückstoßheizung“ erreicht wird.

Bedeutet das also, dass die niedrigste Temperatur, die ein Atom erreichen kann, nur die „Sub-Doppler-Kühlgrenze“ ist?

Abbildung 1: Heliumatom (Copyright-Bild aus der Galerie, Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

01Eine mutige Idee: die Atome „verstecken“

Natürlich nicht. Die Physiker haben eine kühne Idee: Warum diese mühsam abgekühlten Atome nicht einfach „verstecken“, um erneute Streuwechselwirkungen mit dem Laserstrahl zu vermeiden? Dadurch haben die Atome die Möglichkeit, wirklich „abzukühlen“ und werden nicht durch den Rückstoß der Photonen wieder erhitzt.

Um diese kühne Idee zu überprüfen, schlugen Physiker ein kreatives experimentelles Schema namens „Velocity Selective Coherent Population Trapping (VSCPT)“ vor. Mithilfe dieses experimentellen Schemas können Physiker Atome mit nahezu null Geschwindigkeit in den „dunklen Zustand“ versetzen, wodurch Streuwechselwirkungen zwischen Atomen und Laserstrahlen vermieden und letztendlich die „Sub-Doppler-Kühlgrenze“ durchbrochen werden!

02 Wo sollen die Atome versteckt werden? Versteckt im Dunkeln

Wie der Name schon sagt, bezieht sich der „dunkle Zustand“ hier darauf, dass sich das Atom in einem bestimmten Grundzustand befindet, der nicht mit dem Laser interagieren kann. Um den Lesern zu helfen, den Prozess, „wie Atome in den ‚dunklen Zustand‘ überführt werden“, besser zu verstehen, betrachten wir das einfachste dreistufige Atommodell:

Abbildung 3 Schematische Darstellung eines Drei-Niveau-Atoms, das einen spezifischen Übergang durchläuft

(Bildquelle: vom Autor gezeichnet)

Abbildung 4 Schematische Darstellung der spontanen Strahlung eines Drei-Niveau-Atoms

(Bildquelle: vom Autor gezeichnet)

Abbildung 5 Schematische Darstellung des endgültigen Übergangs des Drei-Niveau-Atoms in den „dunklen Zustand“

(Bildquelle: vom Autor gezeichnet)

03 Aktualisierung des Tieftemperaturrekords von Atomen – Durchbrechen der „Sub-Doppler-Kühlgrenze“!

Wie das Sprichwort sagt: Es gibt nichts, was nicht getan werden kann, solange man es sich vorstellen kann.

Um die oben genannte kühne Idee zu überprüfen, schlug die Forschungsgruppe von Claude Cohen-Tanougui an der École Normale Supérieure in Paris, Frankreich, 1988 ein experimentelles Schema namens „Speed-Selective Coherent Layout Trapping“ vor und kühlte Heliumatome (4He) erfolgreich auf eine ultraniedrige Temperatur von etwa 2 Mikrokelvin (d. h. 10-6 K) ab.

Zum Vergleich: Die „Doppler-Kühlgrenze“ von Heliumatomen liegt bei 23 Mikrokelvin, während die theoretische „Sub-Doppler-Kühlgrenze“ von Heliumatomen bei etwa 4 Mikrokelvin liegt. Mit anderen Worten: Das Forschungsteam brach den damaligen Tieftemperaturrekord für die Kühlung von Heliumatomen, was bedeutete, dass die Physiker die „Sub-Doppler-Kühlgrenze“ experimentell durchbrochen hatten.

Abbildung 6 Heliumatom

(Urheberrechtlich geschützte Bilder aus der Galerie, Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

Einige Leser fragen sich vielleicht, wie das oben erwähnte experimentelle Schema der „geschwindigkeitsselektiven kohärenten Layoutbeschränkung“ die sogenannte „Geschwindigkeitsselektivität“ widerspiegelt?

Abbildung 7 Schematische Darstellung des Übergangs eines stationären Heliumatoms

(Bildquelle: vom Autor gezeichnet)

Abbildung 8 Schematische Darstellung des Übergangs eines Heliumatoms in Bewegung

(Bildquelle: vom Autor gezeichnet)

Theoretisch können wir die Atome so weit abkühlen, dass sie sich in einem Bewegungszustand mit sehr geringer Durchschnittsgeschwindigkeit befinden, solange wir Parameter wie die Frequenz der beiden Laserstrahlen präzise anpassen. Wenn die Wechselwirkungszeit zwischen Atomen und Laserlicht zunimmt, kann die Temperatur der Atome weiter sinken, bis sie den absoluten Nullpunkt erreicht.

04 Die begehrte Ehre: der Nobelpreis für Physik 1997

Für Physiker, die sich der Erforschung der Grenzen niedriger Temperaturen widmen, reicht es nicht aus, Atome auf den μK-Bereich abzukühlen. Sie hoffen, die Untertemperaturgrenze von Atomen weiter auf den nK-Bereich (Nanokelvin oder 10-9 K) zu verschieben und damit den Tieftemperaturrekord für die atomare Kühlung weiter zu verbessern.

So gelang es der Forschungsgruppe von C. Cohen-Tannoudji im Jahr 1995 erstmals, mit Hilfe des experimentellen Verfahrens „Velocity-Selective Coherent Placement Trapping“ die Temperatur eines Heliumatomclusters in dreidimensionaler Bewegungsrichtung auf etwa 180 nK abzukühlen. Dann schlug das Forschungsteam 1997 ein neues Temperaturmessverfahren vor, mit dem die Temperatur gekühlter Heliumatome direkt gemessen werden konnte. Die Messergebnisse zeigen, dass die niedrigste Temperatur von Heliumatomen, die mit dem Verfahren „Velocity-Selective Coherent Placement Trapping“ gekühlt werden, etwa 5 nK beträgt.

Gerade wegen seines herausragenden Beitrags zur Erforschung der Grenzen der atomaren Kühlung erhielt der französische Physiker C. Cohen-Tannoudji 1997 den Nobelpreis für Physik und ein Drittel des Preisgeldes dieses Jahres.

Abbildung 9: Entwicklungsgeschichte von Lösungen für die Laserkühlungstechnologie (Bildquelle: Referenz 4)

Abschluss

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es Physikern mit ihrer reichen Vorstellungskraft und ausgeklügelten experimentellen Schemata gelungen ist, die Abkühlungsgrenze von Atomen vom anfänglichen mK-Niveau auf das μK-Niveau zu senken und schließlich ultraniedrige Temperaturen des nK-Niveaus zu erreichen.

Wird es also bei Atomensembles mit einer großen Anzahl von Atomen auch unter niedrigen Temperaturen zu einem „Kondensationsphänomen“ ähnlich dem in der makroskopischen Welt kommen? Tatsächlich wurde diese wissenschaftliche Vermutung vor hundert Jahren auch von zwei großen Physikern (Albert Einstein und S.N. Bose) diskutiert.

Denken Sie als Nächstes darüber nach, ob diese wissenschaftliche Vermutung von vor hundert Jahren wahr werden kann, und kommen Sie mit Neugier, um die Antwort gemeinsam im nächsten Artikel aufzudecken!

Autor: Luan Chunyang, PhD, Institut für Physik, Tsinghua-Universität

Gutachter: Luo Huiqian, Forscher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Science Popularization China

Verweise

[1] (VSCPT) Aspekt A, Arimondo E, Kaiser R, et al. Laserkühlung unterhalb der Einphotonen-Rückstoßenergie durch geschwindigkeitsselektive kohärente Besetzungsfalle[J]. Physical Review Letters, 1988, 61(7): 826.

[2] (C Cohen-Tannoudji, 1995 – Helium-Atomgruppe – 180 nK) Lawall J, Kulin S, Saubamea B, et al. Dreidimensionale Laserkühlung von Helium über die Einzelphotonenrückstoßgrenze hinaus[J]. Physical Review Letters, 1995, 75(23): 4194.

[3] (C Cohen-Tannoudji, 1997 – eindimensionaler Heliumcluster – 5 nK) Saubaméa B, Hijmans TW, Kulin S, et al. Direkte Messung der räumlichen Korrelationsfunktion ultrakalter Atome[J]. Physical Review Letters, 1997, 79(17): 3146.

[4] Zhuang Wei, Li Tianchu. Laserkühlung und Manipulation von Atomen: Prinzipien und Anwendungen[J]. Science and Technology Review, 2018, 36(5): 28-38.