Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Ультрахолодные атомы - это атомы, которые поддерживаются при температурах, близких к 0 кельвину ( абсолютный ноль ), обычно ниже нескольких десятков микрокельвинов (мкК). При этих температурах важны квантово-механические свойства атома .

Чтобы достичь таких низких температур, обычно необходимо использовать комбинацию нескольких методов. [1] Во-первых, атомы обычно захватываются и предварительно охлаждаются посредством лазерного охлаждения в магнитооптической ловушке . Для достижения минимально возможной температуры дальнейшее охлаждение осуществляется с помощью испарительного охлаждения в магнитной или оптической ловушке . Несколько Нобелевских премий по физике связаны с разработкой методов управления квантовыми свойствами отдельных атомов (например, 1995–1997, 2001, 2005, 2012, 2017).

Эксперименты с ультрахолодными атомами изучают множество явлений, включая квантовые фазовые переходы, конденсацию Бозе – Эйнштейна (БЭК) , бозонную сверхтекучесть, квантовый магнетизм , многочастичную спиновую динамику, состояния Ефимова , сверхтекучесть Бардина – Купера – Шриффера (БКШ) и БЭК. –BCS кроссовер . [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]

История [ править ]

Образцы ультрахолодных атомов обычно получают путем взаимодействия разбавленного газа с лазерным полем. Доказательства радиационного давления, силы, создаваемой светом на атомы, были независимо продемонстрированы Лебедевым, Николсом и Халлом в 1901 году. В 1933 году Отто Фриш продемонстрировал отклонение отдельных частиц натрия светом, генерируемым натриевой лампой.

Изобретение лазера стимулировало развитие дополнительных методов манипулирования атомами с помощью света. Использование лазерного света для охлаждения атомов было впервые предложено в 1975 году благодаря использованию эффекта Доплера, чтобы сделать силу излучения на атоме зависимой от его скорости, метод, известный как доплеровское охлаждение . Подобные идеи предлагались и для охлаждения образцов захваченных ионов. Применение доплеровского охлаждения в трех измерениях будет замедлять атомы до скоростей, которые обычно составляют несколько см / с, и производить так называемую оптическую патоку . [4]

Обычно источником нейтральных атомов для этих экспериментов были тепловые печи, которые производили атомы при температурах в несколько сотен градусов Кельвина. Атомы из этих печных источников движутся со скоростью сотни метров в секунду. Одной из основных технических проблем при доплеровском охлаждении было увеличение времени, в течение которого атом может взаимодействовать со светом лазера. Эта проблема была преодолена с появлением Zeeman Slower . Замедлитель Зеемана использует пространственно изменяющееся магнитное поле для поддержания относительного энергетического интервала атомных переходов, участвующих в доплеровском охлаждении. Это увеличивает количество времени, которое атом проводит, взаимодействуя с лазерным светом.

Разработка первой магнитооптической ловушки (МОЛ) Раабом и др. В 1987 г. был сделан важный шаг на пути к созданию образцов ультрахолодных атомов. Типичные температуры, достигаемые с помощью MOT, составляют от десятков до сотен микрокельвинов. По сути, магнитооптическая ловушка удерживает атомы в пространстве за счет приложения магнитного поля, так что лазеры не только создают силу, зависящую от скорости, но также и силу, изменяющуюся в пространстве. Нобелевская премия 1997 г. [4] по физике была присуждена за разработку методов охлаждения и улавливания атомов лазерным светом и разделилась Стивеном Чу , Клодом Коэн-Таннуджи и Уильямом Д. Филлипсом .

Испарительное охлаждение использовалось в экспериментальных попытках достичь более низких температур в попытке открыть новое состояние вещества, предсказанное Сатьендрой Нат Бозом и Альбертом Эйнштейном, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК). При испарительном охлаждении самые горячие атомы в образце улетучиваются, что снижает среднюю температуру образца. Нобелевская премия 2001 г. [1] была присуждена Эрику А. Корнеллу , Вольфгангу Кеттерле и Карлу Э. Виману за создание конденсата Бозе – Эйнштейна в разбавленных газах щелочных атомов и за ранние фундаментальные исследования свойств конденсатов.

Приложения [ править ]

У ультрахолодных атомов есть множество применений благодаря их уникальным квантовым свойствам и отличному экспериментальному контролю, доступному в таких системах. Например, ультрахолодные атомы были предложены в качестве платформы для квантовых вычислений и квантового моделирования [5], сопровождаемых 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 системы конденсированного состояния, которую затем можно исследовать с помощью инструментов, доступных в конкретной реализации. Поскольку эти инструменты могут сильно отличаться от тех, которые доступны в реальной системе конденсированных сред, можно, таким образом, экспериментально исследовать недоступные иным образом величины. Более того, ультрахолодные атомы могут даже позволить создавать экзотические состояния вещества, которые иначе невозможно наблюдать в природе.

Ультрахолодные атомы также используются в экспериментах для прецизионных измерений, обеспечиваемых низким тепловым шумом и, в некоторых случаях, использованием квантовой механики для превышения стандартного квантового предела. Помимо потенциальных технических приложений, такие прецизионные измерения могут служить проверкой нашего нынешнего понимания физики.

См. Также [ править ]

  • Конденсат Бозе – Эйнштейна
  • Лаборатория холодного атома
  • Квантовый симулятор

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b «Нобелевская премия по физике 2001 г. - популярная информация» . www.nobelprize.org . Проверено 27 января 2016 .
  2. ^ Мэдисон, KW; Ван, YQ; Рей, AM; и др., ред. (2013). Ежегодный обзор холодных атомов и молекул . 1 . World Scientific. DOI : 10,1142 / 8632 . ISBN 978-981-4440-39-4.
  3. ^ Блох, Иммануил; Далибард, Жан; Насимбен, Сильвен (2012). «Квантовое моделирование с ультрахолодными квантовыми газами» . Физика природы . 8 (4): 267–276. Bibcode : 2012NatPh ... 8..267B . DOI : 10.1038 / nphys2259 .
  4. ^ a b "Пресс-релиз: Нобелевская премия по физике 1997 г." . www.nobelprize.org . Проверено 27 января 2016 .
  5. ^ Блох, Иммануил; Далибард, Жан; Насимбен, Сильвен (2012). «Квантовое моделирование с ультрахолодными квантовыми газами» . Физика природы . 8 (4): 267–276. Bibcode : 2012NatPh ... 8..267B . DOI : 10.1038 / nphys2259 .

Источники [ править ]

  • Блох, Иммануил (2008). «Квантовые газы». Наука . 319 (5867): 1202–1203. Bibcode : 2008Sci ... 319.1202B . DOI : 10.1126 / science.1152501 . PMID  18309072 .
  • Руссо, Валери (2010). «Чистые фазы Мотта в замкнутых ультрахолодных атомных системах». Phys. Rev. Lett . 104 (16): 167201. arXiv : 0909.3543 . Bibcode : 2010PhRvL.104p7201R . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.104.167201 . PMID  20482076 .