Den centrala delen av experimentet där de koherenta materiavågorna skapas. Färska atomer (blå) faller in och tar sig till Bose-Einstein-kondensatet i mitten. I verkligheten är atomerna inte synliga för blotta ögat. Kredit:Scixel.
Lasrar producerar koherenta vågor av ljus:Allt ljus inuti en laser vibrerar helt synkroniserat. Samtidigt säger kvantmekaniken oss att partiklar som atomer också bör ses som vågor. Som ett resultat kan vi bygga "atomlasrar" som innehåller koherenta vågor av materia. Men kan vi få dessa materiavågor att hålla, så att de kan användas i applikationer? I forskning som publicerades i Nature den här veckan visar ett team av Amsterdam-fysiker att svaret på denna fråga är jakande.
Få bosoner att marschera i synk
Konceptet som ligger till grund för atomlasern är det så kallade Bose-Einstein Condensate, eller förkortat BEC. Elementarpartiklar i naturen förekommer i två typer:fermioner och bosoner. Fermioner är partiklar som elektroner och kvarkar - byggstenarna i den materia som vi är gjorda av. Bosoner är väldigt olika till sin natur:de är inte hårda som fermioner, utan mjuka:de kan till exempel röra sig genom varandra utan problem. Det mest kända exemplet på en boson är fotonen, den minsta möjliga mängden ljus. Men materiepartiklar kan också kombineras för att bilda bosoner – i själva verket kan hela atomer bete sig precis som ljuspartiklar. Det som gör bosoner så speciella är att de alla kan vara i exakt samma tillstånd vid exakt samma tidpunkt, eller formulerat i mer tekniska termer, kan de "kondensera" till en sammanhängande våg. När denna typ av kondensering sker för materiepartiklar, kallar fysiker det resulterande ämnet för ett Bose-Einstein-kondensat.
I vardagen är vi inte alls bekanta med dessa kondensat. Anledningen:det är väldigt svårt att få atomer att bete sig som en. Den skyldige som förstör synkroniteten är temperaturen – när ett ämne värms upp börjar de ingående partiklarna vicka runt, och det blir praktiskt taget omöjligt att få dem att bete sig som en. Endast vid extremt låga temperaturer, ungefär en miljondels grad över absolut noll (cirka 273 grader under noll på Celsius-skalan), finns det en chans att bilda de koherenta materiavågorna hos en BEC.
Flyktiga utbrott
För ett kvarts sekel sedan skapades de första Bose-Einstein-kondensaterna i fysiklabbar. Detta öppnade upp möjligheten att bygga atomlasrar - enheter som bokstavligen matar ut materiastrålar - men dessa enheter kunde bara fungera under en mycket kort tid. Lasrarna kunde producera pulser av materiavågor, men efter att ha skickat ut en sådan puls måste en ny BEC skapas innan nästa puls kunde skickas ut. För ett första steg mot en atomlaser var detta fortfarande inte dåligt. Faktum är att vanliga, optiska lasrar också tillverkades i en pulsad variant innan fysiker kunde skapa kontinuerliga lasrar. Men även om utvecklingen av optiska lasrar hade gått väldigt snabbt, den första kontinuerliga lasern som producerades inom sex månader efter dess pulsade motsvarighet, förblev den kontinuerliga versionen för atomlasrar svårfångad i mer än 25 år.
Det var tydligt vad problemet var:BEC:er är mycket ömtåliga och förstörs snabbt när ljus faller på dem. Ändå är närvaron av ljus avgörande för att bilda kondensatet:för att kyla ner ett ämne till en miljondels grad måste man kyla ner dess atomer med laserljus. Som ett resultat begränsades BEC:er till flyktiga utbrott, utan något sätt att konsekvent upprätthålla dem.
En julklapp
Ett team av fysiker från universitetet i Amsterdam har nu lyckats lösa det svåra problemet med att skapa ett kontinuerligt Bose-Einstein-kondensat. Florian Schreck, lagledaren, förklarar vad tricket var. "I tidigare experiment gjordes den gradvisa nedkylningen av atomer på ett ställe. I vår uppsättning bestämde vi oss för att sprida nedkylningsstegen inte över tiden, utan i rymden:vi får atomerna att röra sig medan de går igenom på varandra följande kylningssteg. I i slutet kommer ultrakalla atomer till experimentets kärna, där de kan användas för att bilda koherenta materiavågor i en BEC. Men medan dessa atomer används är nya atomer redan på väg att fylla på BEC. På detta sätt vi kan hålla processen igång – i princip för alltid."
Även om den bakomliggande idén var relativt enkel, var det verkligen inte det att genomföra den. Chun-Chia Chen, första författare till publikationen i Nature , minns:"Redan 2012 insåg teamet - då fortfarande i Innsbruck - en teknik som gjorde att en BEC kunde skyddas från laserkylningsljus, vilket för första gången möjliggjorde laserkylning ända ner till det degenererade tillstånd som behövs för koherenta vågor Även om detta var ett kritiskt första steg mot den långvariga utmaningen att konstruera en kontinuerlig atomlaser, var det också klart att en dedikerad maskin skulle behövas för att ta det vidare. När vi flyttade till Amsterdam 2013 började vi med ett språng på tro, lånade medel, ett tomt rum och ett team helt finansierat av personliga bidrag. Sex år senare, tidigt på julmorgonen 2019, var experimentet äntligen på väg att fungera. Vi hade idén att lägga till en extra laserstråle för att lösa en sista tekniska svårighet, och omedelbart visade varje bild vi tog en BEC, den första kontinuerliga vågen BEC."
Efter att ha tagit itu med det långvariga öppna problemet med att skapa ett kontinuerligt Bose-Einstein-kondensat, har forskarna nu bestämt sig för nästa mål:att använda lasern för att skapa en stabil utmatningsstråle av materia. När deras lasrar inte bara kan fungera för evigt utan också kan producera stabila strålar, står ingenting i vägen för tekniska tillämpningar längre, och materialasrar kan börja spela en lika viktig roll i tekniken som vanliga lasrar för närvarande gör. + Utforska vidare
