Eine unerwartete Entdeckung schockierte Wissenschaftler: Wie cool können Atome sein?

Ich glaube, wir wissen bereits aus dem vorherigen Artikel „Ja, Sie haben richtig gelesen! Laser können Teilchen wirklich kühlen!“, dass der Abbremsprozess von Atomen auf die Wechselwirkung zwischen Atomen und Photonen zurückzuführen ist . Bei diesem Abbremsprozess absorbiert das Atom zunächst das ankommende Photon und wird durch die Kollision abgebremst; anschließend gibt das Atom ein neues Photon ab. Dabei handelt es sich um den sogenannten „ stimulierten Emissionsprozess “.

Schematische Darstellung von Atomen, die Photonen in stimulierter Strahlung „absorbieren“ und „emittieren“ (Urheberrecht der Bibliothek, Nachdruck und Verwendung können zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

Darüber hinaus richten Physiker Laserstrahlen gleichzeitig in sechs Richtungen auf Atomcluster im dreidimensionalen Raum und erreichen so den Kühl- und Einfangprozess von Atomclustern. Allerdings befinden sich die Atome zu diesem Zeitpunkt noch in einem Zustand des zufälligen Wanderns und können nicht wirklich anhalten. Daher hängt die Endtemperatur, auf die ein Atom theoretisch abgekühlt werden kann, vom Gleichgewicht zwischen Doppler-Kühlung und zufälliger Erwärmung ab, das die „ Doppler-Kühlgrenze “ darstellt (normalerweise in der Größenordnung von mehreren hundert µK).

Tatsächlich sind die oben genannten mehreren hundert Kelvin bereits sehr niedrige Temperaturen. Umgerechnet in die uns aus dem Alltag geläufige Celsius-Temperatur entspricht dies weniger als -273,149 °C (also weniger als 0,001 K über dem absoluten Nullpunkt). Doch gerade als die meisten Physiker damals glaubten , sie hätten die extrem niedrige Temperatur von Atomen erreicht , wurde ihr Verständnis von Atomen durch eine unerwartete Entdeckung noch einmal aufgefrischt!

01 Eine unerwartete Entdeckung, die Geschichte schrieb: War es so einfach, die „ Doppler- Kühlgrenze“ zu durchbrechen?

Im Jahr 1987 beobachtete das Forschungsteam um William Phillips am National Institute of Standards and Technology (NIST) unerwartet, dass die Natriumatome auf ultraniedrige Temperaturen abgekühlt wurden, als sie das „Doppler-Kühlungsverfahren“ auf Natriumatome anwandten.

Zunächst ging das Team um William Phillips davon aus, dass es sich lediglich um einen experimentellen Fehler handelte, der die Abweichung bei der Temperaturmessung des Natriumatomclusters verursachte. Anschließend überprüften sie die experimentellen Ergebnisse mit drei verschiedenen Messmethoden und stellten zu ihrer Überraschung fest, dass die Temperatur des gekühlten Natriumatomclusters tatsächlich niedriger war als die theoretische „Doppler-Kühlgrenze“. Diese unerwartete experimentelle Entdeckung wurde von anderen Kollegen streng geprüft und im folgenden Jahr in der führenden internationalen Physikzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Dank dieser unerwarteten Entdeckung wurde den Physikern klar, dass die ursprüngliche Doppler-Kühlungstheorie nicht mehr ausreichte, um dieses neuartige experimentelle Phänomen zu erklären. Daher führten die Chu-Gruppe an der Stanford University und die Cohen-Tanuj-Gruppe an der École Normale Supérieure in Paris, Frankreich, zwischen 1988 und 1989 unabhängig voneinander eine umfassende Analyse dieses neuen Phänomens durch. Theoretisch berücksichtigten sie Faktoren wie die komplexere Energieniveaustruktur im Atom und die optischen Polarisationseigenschaften des Laserstrahls vollständig und konnten schließlich dieses seltsame Phänomen erklären, das die „ Doppler-Kühlgrenze “ durchbrach .

Daher begannen Physiker, die experimentellen Parameter kontinuierlich zu optimieren und versuchten, die Abkühltemperatur der Atomcluster weiter zu senken. Im Jahr 1989 senkte Chus Team die Kühltemperatur des Natriumatomclusters weiter auf den Bereich von 15 uK bis 30 uK. Im selben Jahr gelang es der Forschungsgruppe von Christopher Westbrook vom National Institute of Standards and Technology in einem Experiment auch, die Temperatur von Natriumatomclustern auf etwa 20 µK zu senken. Dann, im Jahr 1990, wechselten die französischen Physiker Clairon, Grati und andere das Kühlobjekt von Natriumatomen (Na) zu einem neuen Cäsiumatomsystem (Cs) und erreichten erfolgreich extrem niedrige Temperaturen für Cäsiumatomcluster.

Welche Geheimnisse also sind im Atomsystem verborgen, die unzählige Physiker dazu bewegen, seine Kühlprinzipien weiterhin eingehend zu erforschen und ihr bestehendes Verständnis von Atomen immer wieder aufzufrischen?

02 Hinter der „zufälligen Entdeckung“ – es stellt sich heraus, dass wir die bekannten Atome unterschätzt haben!

Tatsächlich haben wir bei der Diskussion des stimulierten Strahlungsprozesses von Atomen zuvor nur den Übergang zwischen den beiden Energieniveaus des Grundzustands und des angeregten Zustands innerhalb des Atoms betrachtet. Dies ist das einfachste Atommodell eines Zwei-Ebenen-Systems. Normalerweise tritt ein atomarer Übergangsprozess vom „Grundzustand → angeregter Zustand“ auf, nachdem ein Atom im Grundzustand ein auftreffendes Photon absorbiert hat. Anschließend durchläuft das Atom erneut den umgekehrten Prozess „angeregter Zustand → Grundzustand“ und schließt so einen vollständigen stimulierten Strahlungszyklus ab.

Schematische Darstellung des „stimulierten Strahlungszyklus“ eines Atoms (Copyright-Bild der Bibliothek, Nachdruck und Verwendung können zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

Die tatsächliche Atomstruktur ist jedoch kein einfaches Zwei-Ebenen-System. Normalerweise hat der Grundzustand eines Atoms mehrere Unterenergieniveaus mit ähnlichen Energien. Diese Struktur wird als „Hyperfeinstruktur“ bezeichnet. Darüber hinaus verfügt jeder Atomtyp über seine eigene einzigartige und komplexe Energieniveaustruktur, was die experimentelle Schwierigkeit, die Atome dazu zu bringen, jeden stimulierten Strahlungszyklus abzuschließen, weiter erhöht. Wenn die Hyperfeinstruktur im Inneren des Atoms nicht sorgfältig berücksichtigt wird, besteht daher eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass das Atom in ein Grundzustands-Subenergieniveau fällt, das nicht wiederverwendet werden kann. Dieses problematische Grundzustands-Subenergieniveau wird auch als „dunkler Zustand“ bezeichnet.

Um zu verhindern, dass der angeregte Strahlungszyklus der Atome durch die Behinderung des „Dunkelzustands“ „streikt“, müssen die Physiker dem Laserstrahl eine zusätzliche Polarisationsmodulation aufprägen. Auf diese Weise können die Atome den resonanten Übergangsprozess vom „dunklen Zustand → angeregten Zustand“ abschließen, kehren dadurch in den Kreislauf der stimulierten Strahlung zurück und werden durch den Laserstrahl kontinuierlich gekühlt. Dank der erfolgreichen Anwendung dieser Technologie kann die Kühltemperatur von Atomen die „Doppler-Kühlgrenze“ durchbrechen und die Entwicklung der Atomkühltechnologie erheblich vorantreiben. Daher wird es auch als „ Sub-Doppler-Kühlung “-Schema bezeichnet.

Nach der Lektüre sind einige Leser möglicherweise verwirrt. Was ist hier Laserpolarisationsmodulation? Aber das ist egal. Um den Lesern den oben erwähnten Prozess der „Sub-Doppler-Kühlung“ verständlicher zu machen, geben wir ein Beispiel.

03 Sub-Doppler-Kühlung von Atomen: Der schmerzhafte „ Sisyphus “-Zyklus

Schematische Darstellung eines Atoms im „Sisyphus“-Kühlkreislauf

(Bildquelle: NobelPrize.org.)

Daher müssen Physiker lediglich Parameter wie den Polarisationszustand des Laserstrahls im Raum präzise modulieren, um es dem Rubidiumatom zu ermöglichen, seine eigene Energie in immer neuen Zyklen kontinuierlich abzugeben. In den Augen der Physiker gleicht dieses Rubidiumatom dem Sisyphos aus der griechischen Mythologie, der den Felsbrocken täglich auf den Berggipfel schiebt und den Abbremsvorgang nur unermüdlich wiederholen kann. Daher wird dieses Sub-Doppler-Kühlschema, das den Polarisationsgradienten des Laserstrahls zur kontinuierlichen Kühlung von Atomen nutzt, auch anschaulich als „ Sisyphus -Kühlung“ bezeichnet.

Schlussfolgerung : Annäherung an die Abkühlungsgrenze des Photonenrückstoßes

Nach der obigen Analyse ist es nicht schwer festzustellen, dass Atome, nachdem sie kontinuierliche Zyklen der „Sisyphus-Abkühlung“ durchlaufen haben, im Prozess der spontanen Strahlung immer noch von der Rückstoßkraft der Photonen beeinflusst werden. Im Vergleich zur einfachen Dopplerkühlung können Atome den Kühlzyklus der stimulierten Strahlung jedoch effizienter abschließen.

Im Allgemeinen ist die Durchschnittstemperatur der Atome nach der „Sisyphus-Kühlung“ 10- bis 100-mal niedriger als die Temperaturgrenze der Doppler-Kühlung. Das heißt, die Grenztemperatur der „Sisyphus-Kühlung“ von Atomen liegt in der Größenordnung von einigen µK, was weniger als 0,00 001 K über dem absoluten Nullpunkt entspricht . Obwohl die Atome den Zustand völliger Ruhe des absoluten Nullpunkts noch nicht erreicht haben, genügte eine so niedrige Temperatur bereits den Anforderungen der meisten frühen Experimente der Atomphysik.

Doch auch pingelig denkende Physiker hegen einen hartnäckigen Glauben in ihrem Herzen: Sie hoffen, die durch den Rückstoß der Photonen verursachte Abkühlungsgrenze erneut zu durchbrechen und so die Abkühlungstemperatur der Atome auf einen neuen Tiefstand zu senken.

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

Produziert von: China Science and Technology Press Co., Ltd., China Science and Technology Publishing House (Beijing) Digital Media Co., Ltd.

Verweise

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[6] Die Doppler-Grenze. NobelPrize.org. Nobelpreis-Outreach AB 2024. Do. 4. April 2024.