Forskare vid MIT-Harvard Center for ultracold atoms and research laboratory of electronics har föreslagit en ny metod för att producera 3D Bose-Einstein-kondensat med enbart laserkylning. I deras studie, med i Fysiska granskningsbrev , de visade effektiviteten av deras teknik för att producera Bose-Einstein-kondensat, uppnå temperaturer som ligger långt under den effektiva rekyltemperaturen.

I tidigare fysikforskning, Bose-Einstein-kondensering (BEC) genom direkt laserkylning eftersträvades ofta, ändå mycket svårfångade mål. Det försökte först av Steven Chu, som vann Nobelpriset för laserkylning, och runt 1995 av Mark Kasevich, som inte lyckades då. Andra grupper ledda av Carl Wieman och Eric Cornell, och av Wolfgang Ketterle, alla nobelpristagare för BEC, lyckades uppnå BEC med evaporativ kylning istället. Så småningom, de flesta forskare gav upp med att försöka producera BEC med enbart laserkylning, fram till denna banbrytande nya studie.

"Några år sedan, Jag hade en idé om hur man kan minska det största hindret för laserkylning av atomer, ljusinducerad bildning av molekyler från atomer, genom att använda specifika laserfrekvenser, " Vladan Vuletić, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Jämfört med kylning genom avdunstning, laserkylning hade potential att bli snabbare och effektivare, vilket resulterar i minskade begränsningar för experimentuppställningen."

Laserkylningsatomer innebär att noggrant placera en uppsättning lasrar och ställa in dem för att sakta ner atomernas rörelse genom att sparka dem med fotoner. Denna teknik används ofta för att skapa kalla moln av atomer, men att använda den för att skapa prover av kalla atomer med en tillräckligt hög densitet för BEC hade hittills visat sig vara mycket utmanande. En viktig orsak till detta är att laserljus kan fotoassociera närliggande atomer till molekyler, som sedan lämnar atomfällan.

"Vi fann att vi dramatiskt kunde minska atomförlusterna genom att medvetet välja energin hos den pumpande lasern för att inte matcha mängden energi som krävs för att bilda molekyler, " förklarade Vuletić. "Kombinerat med en noggrant optimerad sekvens av så kallad Raman-kylning (först demonstrerad av Chu och Kasevich), detta gjorde det möjligt för oss att producera ett kallt moln av atomer med en densitet som är tillräckligt hög för att skapa ett måttligt stort BEC på ungefär en sekunds kylning."

I deras studie, Vuletić och hans kollegor fångade atomer i en korsad optisk dipolfälla och kylde dem med Raman-kylning, med fjärrresonant optiskt pumpljus för att minska atomförlust och uppvärmning. Denna teknik gjorde det möjligt för dem att nå temperaturer betydligt under den effektiva rekyltemperaturen (temperaturskalan som är förknippad med rekylmomentet hos en foton), på en tidsskala som är 10 till 50 gånger snabbare än den typiska tidsskalan för avdunstningen.

"En sådan snabb produktion av BEC är redan i nivå med de allra bästa förångningsteknikerna, som var optimerade för hastighet, lyfta fram potentialen i den nya laserkylningstekniken, " sa Vuletić. "Vår laserkylningsmetod bör kunna tillämpas på andra arter av atomer i framtiden, samt kylning av molekyler. Vår snabbare metod ger bättre signal-brusförhållande, och möjliggör nya experiment för att studera kvantgaser som var svåra att utföra tidigare."

Den nya metoden som introducerades av Vuletić och hans kollegor kan få många konsekvenser för framtida fysikforskning. Till exempel, det skulle kunna möjliggöra snabb produktion av kvantdegenererade gaser i en mängd olika system, inklusive fermioner. I sitt nuvarande arbete, forskarna använder sitt system för att studera 1-D kvantgaser med attraktiva interaktioner, som teoretiskt sett borde kollapsa men istället stabiliseras av kvanttryck.

"I framtiden, vi skulle vilja tillämpa samma teknik på fermioniska atomer, " Vuletić sa. "Fermioniska atomer kondenserar inte, men undvik varandra, och istället bilda en så kallad kvantdegenererad Fermi-gas vid låga temperaturer. Sådana system kan användas för att studera elektroner (som också är fermioner) i fasta tillståndssystem, t.ex. för att förstå naturen av magnetism och högtemperatursupraledning."

© 2019 Science X Network