|
Физики создали вечный атомный лазер
|
|
|
|
Лазеры используют когерентные волны света: весь свет внутри лазера вибрирует полностью синхронно. Между тем квантовая механика говорит нам, что такие частицы, как атомы, также следует рассматривать как волны. В результате мы можем построить «атомные лазеры», содержащие когерентные волны материи. Но можем ли мы сделать эти волны материи продолжительными, чтобы их можно было использовать в приложениях? В исследовании, опубликованном в журнале Nature на этой неделе, группа амстердамских физиков показывает, что ответ на этот вопрос положительный. Концепция, лежащая в основе атомного лазера, — это так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, или сокращенно БЭК. Элементарные частицы в природе встречаются двух типов: фермионы и бозоны.
|
|
|
|
Фермионы — это такие частицы, как электроны и кварки, строительные блоки материи, из которой мы состоим. Бозоны очень разные по своей природе: они не жесткие, как фермионы, а мягкие: например, они могут без проблем проходить друг через друга. Самым известным примером бозона является фотон, наименьшее возможное количество света. Но частицы материи также могут объединяться, образуя бозоны — на самом деле, целые атомы могут вести себя точно так же, как частицы света. Что делает бозоны такими особенными, так это то, что все они могут находиться в одном и том же состоянии в одно и то же время, или, выражаясь более техническими терминами, они могут «конденсироваться» в когерентную волну. Когда этот тип конденсации происходит для частиц материи, физики называют полученное вещество конденсатом Бозе-Эйнштейна.
|
|
|
В быту мы совсем не знакомы с этими конденсатами. Причина: очень трудно заставить атомы вести себя как один. Виновником, нарушающим синхронность, является температура: когда вещество нагревается, составляющие его частицы начинают колебаться, и заставить их вести себя как одно целое становится практически невозможно. Только при экстремально низких температурах, примерно на миллионную долю градуса выше абсолютного нуля (около 273 градусов ниже нуля по шкале Цельсия), есть шанс сформировать волны когерентного вещества БЭК.
|
|
|
|
Четверть века назад в физических лабораториях были созданы первые конденсаты Бозе-Эйнштейна. Это открыло возможность создания атомных лазеров — устройств, которые буквально испускают лучи материи, — но эти устройства могли функционировать только в течение очень короткого времени. Лазеры могли производить импульсы волн материи, но после отправки такого импульса необходимо было создать новый БЭК, прежде чем можно было бы отправить следующий импульс. Для первого шага к атомному лазеру это было еще неплохо. На самом деле обычные оптические лазеры тоже выпускались в импульсном варианте до того, как физики смогли создать лазеры непрерывного действия. Но в то время как разработка оптических лазеров шла очень быстро, первый лазер непрерывного действия был произведен в течение шести месяцев после его импульсного аналога, для атомных лазеров непрерывная версия оставалась труднодостижимой более 25 лет. Стало ясно, в чем проблема: БЭК очень хрупкие и быстро разрушаются при попадании на них света. Однако наличие света имеет решающее значение для образования конденсата: чтобы охладить вещество до миллионной доли градуса, нужно охладить его атомы с помощью лазерного излучения. В результате BEC были ограничены мимолетными всплесками, без возможности последовательно поддерживать их.
|
|
|
|
Группе физиков из Амстердамского университета удалось решить сложную задачу создания непрерывного конденсата Бозе-Эйнштейна. Флориан Шрек, руководитель группы, объясняет, в чем заключалась хитрость. «В предыдущих экспериментах постепенное охлаждение атомов выполнялось в одном месте. В нашей установке мы решили распределить этапы охлаждения не во времени, а в пространстве: мы заставляем атомы двигаться, пока они проходят последовательные этапы охлаждения. В конце эксперимента в центр эксперимента попадают ультрахолодные атомы, где их можно использовать для формирования когерентных волн материи в БЭК, но пока эти атомы используются, новые атомы уже находятся на пути к пополнению БЭК. мы можем поддерживать этот процесс — по сути, вечно».
|
|
|
|
В то время как основная идея была относительно проста, ее реализация, безусловно, была непроста. Чун-Чиа Чен, первый автор публикации в журнале Nature, вспоминает: «Уже в 2012 году команда — тогда еще находившаяся в Инсбруке — реализовала технику, которая позволила защитить БЭК от лазерного охлаждающего света, что впервые дало возможность лазерного охлаждения вплоть до вырожденного состояния, необходимого для когерентных волн.Хотя это был важный первый шаг к давней задаче создания лазера на атомах непрерывного действия, было также ясно, что для дальнейшего решения потребуется специальная машина. Переехав в Амстердам в 2013 году, мы начали с прыжка веры, заемных средств, пустой комнаты и команды, полностью финансируемой за счет личных грантов.Шесть лет спустя, в ранние часы рождественского утра 2019 года, эксперимент, наконец, был на грани У нас возникла идея добавить дополнительный лазерный луч, чтобы решить последнюю техническую проблему, и мгновенно каждое изображение, которое мы сделали, показывало БЭК, первый непрерывный БЭК».
|
|
|
|
Решив давнюю открытую проблему создания непрерывного конденсата Бозе-Эйнштейна, исследователи теперь поставили перед собой следующую цель: использовать лазер для создания стабильного выходного луча материи. Как только их лазеры смогут не только работать вечно, но и производить стабильные лучи, ничто больше не будет стоять на пути технических приложений, и лазеры на материи могут начать играть не менее важную роль в технологии, чем обычные лазеры в настоящее время.
|
|
|
|
Источник
|
