En atoms värld är en av slumpmässigt kaos och värme. Vid rumstemperatur, ett moln av atomer är en vansinnig röra, med atomer som zippar förbi varandra och kolliderar, ständigt ändra riktning och hastighet.

Sådana slumpmässiga rörelser kan bromsas, och till och med slutade helt, genom att drastiskt kyla atomerna. I ett hår över absolut noll, tidigare frenetiska atomer förvandlas till ett nästan zombie-liknande tillstånd, rör sig som en vågliknande formation, i en kvantform av materia som kallas ett Bose-Einstein-kondensat.

Eftersom de första Bose-Einstein-kondensaten framgångsrikt producerades 1995 av forskare i Colorado och av Wolfgang Ketterle och kollegor vid MIT, forskare har observerat deras konstiga kvantegenskaper för att få insikt i ett antal fenomen, inklusive magnetism och supraledning. Men kylning av atomer till kondensat är långsam och ineffektiv, och mer än 99 procent av atomerna i det ursprungliga molnet går förlorade i processen.

Nu, MIT -fysiker har uppfunnit en ny teknik för att kyla atomer till kondensat, som är snabbare än den konventionella metoden och bevarar en stor del av de ursprungliga atomerna. Teamet använde en ny process med laserkylning för att kyla ett moln av rubidiumatomer hela vägen från rumstemperatur till 1 mikrokelvin, eller mindre än en miljonedel av en grad över absolut noll.

Med denna teknik, laget kunde svalna 2, 000 atomer, och från det, generera ett kondensat på 1, 400 atomer, bevara 70 procent av det ursprungliga molnet. Deras resultat publiceras idag i tidskriften Vetenskap .

"Människor försöker använda Bose-Einstein-kondensat för att förstå magnetism och supraledning, samt att använda dem för att göra gyroskop och atomur, "säger Vladan Vuletić, Lester Wolfe professor i fysik vid MIT. "Vår teknik kan börja påskynda alla dessa förfrågningar."

Vuletić är seniorförfattare till tidningen, som också inkluderar den första författaren och forskningsassistenten Jiazhong Hu, liksom Zachary Vendeiro, Valentin Crépel, Alban Urvoy, och Wenlan Chen.

"En liten bråkdel och en stor nackdel"

Forskare har konventionellt skapat Bose-Einstein-kondensat genom en kombination av laserkylning och förångningskylning. Processen börjar vanligtvis med att lysa laserstrålar från flera håll på ett moln av atomer. Fotonerna i strålen fungerar som små pingisbollar, studsar mycket större, atomer i basketstorlek, och sakta ner dem lite vid varje kollision. Laserens fotoner verkar också för att komprimera molnet av atomer, begränsa deras rörelse och kyla dem i processen. Men forskare har funnit att det finns en gräns för hur mycket en laser kan kyla atomer:Ju tätare ett moln blir, ju mindre utrymme det finns för fotoner att sprida; istället börjar de alstra värme.

Vid denna tidpunkt i processen, forskare släcker vanligtvis ljuset och byter till förångningskylning, som Vuletić beskriver som "som att kyla en kaffekopp - du väntar bara på att de hetaste atomerna ska slippa." Men det här är en långsam process som i slutändan tar bort mer än 99 procent av de ursprungliga atomerna för att behålla de atomer som är tillräckligt kalla för att förvandlas till Bose-Einstein-kondensat.

"I slutet, du måste börja med mer än 1 miljon atomer för att få ett kondensat bestående av endast 10, 000 atomer, "Säger Vuletić. Det är en liten bråkdel och en stor nackdel."

Stämmer en twist

Vuletić och hans kollegor hittade ett sätt att komma runt de inledande begränsningarna för laserkylning, att kyla atomer till kondensat med laserljus från början till slut - mycket snabbare, atombevarande tillvägagångssätt som han beskriver som en "mångårig dröm" bland fysiker inom området.

"Det vi uppfann var en ny twist på metoden för att få den att fungera vid höga [atomära] densiteter, "Säger Vuletić.

Forskarna använde konventionella laserkylningstekniker för att kyla ett moln av rubidiumatomer ner till precis ovanför den punkt vid vilken atomer blir så komprimerade att fotoner börjar värma upp provet.

De bytte sedan över till en metod som kallas Raman -kylning, där de använde en uppsättning av två laserstrålar för att kyla atomerna ytterligare. De stämde in den första strålen så att dess fotoner, när de absorberas av atomer, förvandlade atomernas rörelseenergi till magnetisk energi. Atomerna, som svar, saktade ner och svalnade ytterligare, samtidigt som de behåller sin ursprungliga totala energi.

Teamet riktade sedan en andra laser mot det mycket komprimerade molnet, som var avstämd på ett sådant sätt att fotonerna, när de absorberas av de långsammare atomerna, tog bort atomernas totala energi, kyler dem ännu mer.

"I slutändan tar fotonerna bort systemets energi i en tvåstegsprocess, "Säger Vuletić." I ett steg, du tar bort rörelseenergi, och i det andra steget, du tar bort den totala energin och minskar störningen, betyder att du har svalnat det. "

Han förklarar att genom att ta bort atomernas rörelseenergi, man gör i princip bort sina slumpmässiga rörelser och övergår atomerna till mer uniform, kvantbeteende som liknar Bose-Einstein-kondensat. Dessa kondensat kan i slutändan ta form när atomerna har tappat sin totala energi och svalnat tillräckligt för att bo i sina lägsta kvanttillstånd.

För att nå denna punkt, forskarna fann att de var tvungna att gå ett steg längre för att helt kyla atomerna till kondensat. Att göra så, de behövde ställa in lasrarna från atomresonans, vilket betyder att ljuset lättare kunde fly från atomerna utan att trycka runt dem och värma dem.

"Atomerna blir nästan transparenta för fotonerna, "Säger Vuletić.

Det betyder att inkommande fotoner är mindre benägna att absorberas av atomer, utlöser vibrationer och värme. Istället, varje foton studsar bara av en atom.

"Innan, när en foton kom in, det var spritt av, säga, 10 atomer innan den kom ut, så det skakade 10 atomer, "Säger Vuletić." Om du ställer in lasern från resonans, nu har fotonen en god chans att fly innan den träffar någon annan atom. Och det visar sig genom att öka lasereffekten, du kan ta tillbaka den ursprungliga kylhastigheten. "

Teamet fann att med sin laserkylningsteknik, de kunde kyla rubidiumatomer från 200 mikrokelvin till 1 mikrokelvin på bara 0,1 sekunder, i en process som är 100 gånger snabbare än den konventionella metoden. Vad mer, gruppens sista prov av Bose-Einstein-kondensat innehöll 1, 400 atomer, från ett originalmoln på 2, 000, bevara en mycket större andel kondenserade atomer jämfört med befintliga metoder.

"När jag var doktorand, människor hade testat många olika metoder bara genom att använda laserkylning, och det fungerade inte och folk gav upp. Det var en mångårig dröm att göra denna process enklare, snabbare, mer robust, "Säger Vuletić." Så vi är ganska glada över att pröva vårt tillvägagångssätt för nya atomer, och vi tror att vi kan få det att få det att göra 1, 000 gånger större kondensat i framtiden. "