Weltquantentag｜Ja, Sie haben richtig gelesen! Laser können Partikel tatsächlich kühlen!

Schon im Physikunterricht in der Mittelschule erklärte uns unser Physiklehrer, dass die Substanzen, mit denen wir im Leben in Kontakt kommen, normalerweise aus Molekülen oder Atomen bestehen und Atome die kleinsten Einheiten sind, die die chemischen Eigenschaften der Materie aufrechterhalten . Beispielsweise ist das Helium in den Heliumballons, die in Vergnügungsparks verkauft werden, ein einatomiges Molekül, das aus Heliumatomen besteht. Zu diesem Zeitpunkt scheint das Helium im Ballon völlig still zu sein, aber die Heliumatome darin befinden sich immer in einem Zustand ständiger „thermischer Bewegung“, und mit steigender Umgebungstemperatur nimmt die thermische Bewegungsgeschwindigkeit dieser mikroskopischen Partikel weiter zu.

Sie werden es kaum glauben, aber selbst wenn dieser Heliumballon der kältesten Temperatur in Mohe (-53 °C, das sind etwa 220 K) ausgesetzt wird, führen die Heliumatome in seinem Inneren immer noch eine zufällige thermische Hochgeschwindigkeitsbewegung mit einer Geschwindigkeit von über 120 Kilometern pro Stunde aus. Mit anderen Worten: Die thermische Bewegungsgeschwindigkeit dieser mikroskopischen Partikel ist vergleichbar mit der von Autos auf der Autobahn!

Wenn Wissenschaftler also ein einzelnes Atom präzise steuern möchten, müssen sie das Atom zunächst auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt (etwa -273,15 °C oder 0 K) abkühlen. Nur so kann das Atom möglichst ruhig gehalten werden. Wie können wir also Atome, die sich mit superhoher Geschwindigkeit bewegen, auf eine so niedrige Temperaturgrenze abkühlen?

Die Antwort lautet: Laser! Sie haben richtig gelesen. Eine genauere Bezeichnung wäre „ Laser-Doppler-Kühlung “.

01Kann Licht tatsächlich die Flugbahn von Atomen ablenken ? ——Wunderbare Photonenstreuungswechselwirkung

Nach unserer traditionellen Vorstellung bewegen sich Photonen (die grundlegenden „Teilchen“ des Lichts) mit extrem hoher Geschwindigkeit und transportieren extrem wenig Energie. Daher scheint es für Photonen im Vergleich zu Atomen mit größerer Masse sehr schwierig zu sein, mit ihnen zu interagieren und Energie auszutauschen, was ungefähr dem Versuch einer Ameise gleicht, eine Bleikugel abzuschütteln.

Tatsächlich gelang es dem Physiker Otto Frisch bereits 1933, das von einer Natriumdampflampe ausgestrahlte Licht erfolgreich zu nutzen, um die Flugbahn eines Strahls von Natriumatomen abzulenken. Obwohl die Ablenkung der Atomstrahlbahn nur etwa 1 mm betrug, war dies ein klarer Beweis dafür, dass Photonen Energie mit Atomen übertragen können. Allerdings ist es nicht einfach, dieses Experiment zur Ablenkung der Atombahn durchzuführen, da es eine ausreichend starke Streuwechselwirkung der emittierten Photonen mit den Atomen voraussetzt.

Schematische Darstellung der Wechselwirkung zwischen Atomen und Photonen (Copyright-Bild der Bibliothek, Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

Einfach ausgedrückt verfügt jedes Atom in seinem Inneren über eine ungleichmäßige und spezifische „Energieleiter“ – eine Struktur der Energieniveaus – und zwischen den verschiedenen Energieniveaus besteht auch ein spezifischer Energieunterschied. Wenn dieses Atom auf ein Photon mit einer Frequenz von genau trifft, wird es das Photon ohne Zögern „auffressen“ und so seinen eigenen Energieniveauübergang abschließen. Als Preis für die „Gier“ wird das Atom seine ursprüngliche Bewegungsgeschwindigkeit aufgrund der Kollision ändern, die beim Absorptionsprozess der Photonen auftritt. Noch interessanter ist, dass dieses „gierige“ Atom leicht an „Verdauungsstörungen“ leidet und zufällig ein neues Photon mit der gleichen Frequenz in alle Richtungen „ausspuckt“ und so sein ursprüngliches Energieniveau wiederherstellt. Tatsächlich hat der oben beschriebene Prozess, der innerhalb von Atomen stattfindet, in der Atomphysik einen professionelleren Namen: spontane Strahlung .

Schematische Darstellung der "spontanen Strahlung" von Atomen

(Bildquelle: vom Autor gezeichnet)

Wenn dieses Atom nacheinander auf mehrere Photonen der gleichen Frequenz mit der gleichen Einfallsrichtung trifft, wird dieser Zyklus der „spontanen Strahlung“ ständig wiederholt. Mit der Zeit gleichen sich die Reaktionskräfte, die dieses Atom jedes Mal erfährt, wenn es zufällig ein neues Photon in verschiedene Richtungen „ ausspuckt “, im Durchschnitt fast aus. Dies bedeutet, dass das Atom als Ganzes nach Abschluss mehrerer Zyklen nur die akkumulierte Kollisionskraft spürt, die durch den Prozess des mehrmaligen „Auffressens“ einer Gruppe von Photonen in die gleiche Richtung entsteht. Diese kontinuierliche Wechselwirkungskraft reicht aus, um die Flugbahn des Atoms abzulenken.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts konnten Physiker nur Experimente zur Ablenkung atomarer Flugbahnen durchführen, da es ihnen nicht gelang, Laserstrahlen mit höherer Energiedichte zu erzeugen. In den 1970er Jahren begannen Physiker im Zuge der rasanten Entwicklung der Lasertechnologie damit, Laserstrahlen zur Interaktion mit Atomen einzusetzen, in der Hoffnung, sich mit hoher Geschwindigkeit bewegende Atome zu verlangsamen.

02 Atome in den Sumpf der Photonen fallen lassen - optisch klebrig

Es ist jedoch keine leichte Aufgabe, ein Atom mit einer sehr hohen Anfangsgeschwindigkeit dazu zu bringen, die entgegenkommenden Photonen erfolgreich zu „fressen“. Dies liegt daran, dass aus der Perspektive des Atoms in diesem Moment das entgegenkommende Photon aufgrund des „ Doppler-Effekts “ eine höhere Frequenz hat und es dieses Photon daher nicht „fressen“ kann (es steht im Widerspruch zu seinem eigenen Energieniveauunterschied), was bedeutet, dass der Zyklus der „spontanen Strahlung“ nicht reibungslos abgeschlossen werden kann.

Atome nehmen Photonen als höherfrequent wahr

(Bildquelle: vom Autor gezeichnet)

Tatsächlich ist uns der hier erwähnte „Doppler-Effekt“ nicht unbekannt. Wenn sich beispielsweise ein Polizeiauto mit heulender Sirene nähert, spüren wir, dass die Tonhöhe der Sirene immer höher wird, das heißt, die Frequenz der Schallwellen, die unser Ohr empfängt, nimmt allmählich zu. und wenn das Polizeiauto mit heulendem Sirenenton davonfährt, wird auch der Sirenenton entsprechend tiefer, das heißt, die Frequenz der Schallwellen, die wir hören, nimmt allmählich ab. Diese vom Beobachter spürbare Änderung der Strahlungsfrequenz, wenn sich Wellenquelle und Beobachter relativ zueinander bewegen, wurde erstmals 1842 vom österreichischen Physiker Christian Doppler vorgeschlagen und wird daher auch „Doppler-Effekt“ genannt.

Schematische Darstellung des „Doppler-Effekts“ (Urheberrecht der Bildbibliothek, Nachdruck und Verwendung können zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

Wenn dieses Atom mit einer sehr hohen Anfangsgeschwindigkeit also ein Photon mit einer Frequenz von genau "auffressen" möchte, dann muss die Frequenz des ankommenden Photons selbst unter Berücksichtigung des oben erwähnten " Doppler-Effekts " etwas niedriger sein als , um den Zyklus der " spontanen Strahlung " erfolgreich abzuschließen. Auf diese Weise wird das ursprünglich schnell bewegte Atom dank der kontinuierlichen Streuwechselwirkung zwischen „Atom und Photon“ durch das Abfangen von Photonen verlangsamt.

Inspiriert von diesem Doppler-Kühlschema gelang es dem Team um William Phillips vom National Institute of Standards and Technology (NIST) im Jahr 1982 erstmals, die Geschwindigkeit von Natriumatomen, die sich ursprünglich in eine bestimmte Richtung bewegten, von einer durchschnittlichen thermischen Bewegungsgeschwindigkeit von 3.600 Kilometern pro Stunde auf etwa 144 Kilometer pro Stunde zu reduzieren (gemäß der Geschwindigkeitsverteilungsbeziehung in der thermodynamischen Statistik wurden die Natriumatome auf etwa 70 mK oder 0,07 K abgekühlt).

Um ein Atom in eine bestimmte Richtung abzubremsen, muss nur die Bewegung in eine einzige Richtung berücksichtigt werden, während es zum Abkühlen des gesamten Atomclusters notwendig ist, ihn gleichzeitig in sechs Richtungen abzubremsen: vorn, hinten, oben, unten, links und rechts im dreidimensionalen Raum. Dazu müssen drei Paare gegenläufiger Laserstrahlen gleichzeitig wirken. Im Jahr 1985 bestrahlte das Team um Steven Chu in den Bell Laboratories in den USA eine Wolke aus Natriumatomen mit drei Paaren gegenläufiger Laserstrahlen und kühlte erfolgreich eine Wolke aus Natriumatomen am Schnittpunkt der drei Laserpaare. Zu diesem Zeitpunkt lag die Temperatur des Atomclusters bereits unter der Grenztemperatur der Dopplerkühlung (ca. 0,00024 K), und dieser besondere Zustand von Atomclustern wird auch als „ optische Melasse “ bezeichnet.

Obwohl diese „optische Hafttechnologie“ Atomcluster effizient kühlen kann, kann sie theoretisch nur die Bewegung von Atomclustern behindern (ähnlich dem Einfangen von Atomen in einem Sumpf aus Photonen), sodass die Atomcluster nicht wirklich gefangen gehalten werden (die Lebensdauer der Atomcluster kann nur im Sekundenbereich stabilisiert werden). Dies bedeutet, dass zur stabilen Einfangung von Atomclustern im dreidimensionalen Raum über einen langen Zeitraum eine weitere Wechselwirkung im Raum erforderlich ist, die auf die Schnittstelle der Laser gerichtet ist .

03Magneto -optische Falle: Die perfekte Kombination aus optischer Haftmasse und statischem Magnetfeld

Im Jahr 1987 arbeitete Chus Gruppe mit Pritchards Gruppe am MIT zusammen, um experimentell ein Schema anzuwenden, das optische Haftung mit einem statischen Magnetfeld mit einer Gradientenverteilung im Raum kombinierte, um die Kühlung und Einfangung von Atomclustern erfolgreich zu erreichen. Diese Atomfalle, die ein Gradienten-Statikmagnetfeld mit optischer Haftung kombiniert, wird auch als „ Magneto-optische Falle (MOT) “ bezeichnet.

Schematische Darstellung der „Magneto-Optischen Falle“ (Copyright-Bild der Bibliothek, Nachdruck und Verwendung können zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

Insbesondere ist das Magnetfeld am Schnittpunkt der drei Paare gegenläufiger Laserstrahlen in der magnetooptischen Falle Null, und auch die durchschnittliche Streuung des Atomclusters im Zentrum des Potentialtopfs ist Null. Durch die präzise Steuerung der Gradientenverteilung des statischen Magnetfelds im dreidimensionalen Raum können die Atome am Rand des Potentialtopfs durch die Rückkraft des Magnetfelds zurückgehalten werden und entweichen nicht nach außen.

Mit anderen Worten: Die magnetooptische Falle nutzt einerseits die optische Adhäsion , um die Atome zu beruhigen , und andererseits das Gradientenmagnetfeld, um die Atomcluster in die Mitte des Potentialtopfs zu drücken, wodurch ein kombinierter „ Kühl- und Einfang “ -Effekt auf die Atomcluster erzielt wird.

Dank der Erfindung der magnetooptischen Fallentechnologie haben Physiker die Möglichkeit, mikroskopische Teilchen langfristig und stabil einzuschließen. Dies ermöglicht eine präzise Kontrolle mikroskopischer Teilchen und fördert die Entwicklung der Quanteninformationstechnologie. Aufgrund ihrer herausragenden Beiträge zur Laserkühlung und zu gefangenen Atomen teilten sich Chu und William Phillips zwei Drittel des Nobelpreises für Physik im Jahr 1997.

Abschluss

Allerdings ist die Geschwindigkeit der Atome nach der Doppler-Kühlung immer noch nicht Null und hat ihre eigene Temperaturgrenze, die auch als „ Doppler-Temperaturgrenze “ bezeichnet wird. Dies liegt daran, dass bei Atomen zwar die Rückstoßeffekte bei mehreren spontanen Strahlungen ausgeglichen werden, sie jedoch immer Photonen und spontane Strahlung absorbieren, wodurch sie sich in einem Zustand des Zufallsgangs befinden und nicht wirklich zum Stillstand kommen können.

Im Allgemeinen liegt die Temperaturgrenze eines Atoms selbst nach der Dopplerkühlung in der Größenordnung von mehreren hundert μK (Mikrokelvin ). Um die Kühlgrenze von Atomen weiter zu senken, ist es notwendig, neben der vollständigen Dopplerkühlung auch eine stärkere „Sub-Dopplerkühlung“ einzuführen.

Wie also haben es die Physiker geschafft, mithilfe ihrer Vorstellungskraft in Experimenten die Temperatur von Atomen erfolgreich auf den µK- oder sogar nK-Bereich (Nanokelvin) zu senken? Lassen Sie uns im nächsten Artikel gemeinsam das Geheimnis der „Sub-Doppler-Kühlung“ ergründen!

Verweise

[1] (Otto Frisch) Frisch R. Experimenteller Nachweis des Einsteinschen Strahlungsrückstoßes[J]. Zeitschrift für Physik, 1933, 86(1-2): 42-48.

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Prodan J, Phillips WD, Metcalf H. Lasererzeugung eines sehr langsamen monoenergetischen Atomstrahls[J]. Physical Review Letters, 1982, 49(16): 1149-1153.

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

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

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