Ultraauksti atomi

Ultraauksti atomi ir atomi, kuru temperatūra ir tuvu absolūtai nullei. Parasti tie ir daži desmiti mikrokelvinu.

Vēsture

Ideja atomu dzesēšanai ar lāzeru tika publicēta 1975. gadā.^[1]^[2] Eksperimentāli Doplera efekta izmantošana atomu dzesēšanai tika pirmo reizi pielietota 1985. gadā. Tā kā atomiem tomēr ir ātrums arī pēc dzesēšanas un tie gravitācijas dēļ krīt, tad 1987. gadā tika izstrādāta metode, lai tos noturētu vietā — magnētoptiskais slazds. 1988. gadā tika publicēti rezultāti, ka temperatūra ir atkarīga no gaismas polarizācijas un apkārtējā magnētiskā lauka un ka ir iespējams sasniegt temperatūras zem paredzētā Doplera limita. Šis novērojums ļāva atklāt Sīsifa dzesēšanu.^[3] Par atomu dzesēšanu ar gaismu tika piešķirta 1997. gada Nobela prēmija.^[4]

Iegūšanas metodes

Ultraaukstu atomu iegūšana parasti notiek vairākos soļos, izmantojot dažādas metodes.

Zēmaņa palēninātājs

Zēmaņa palēninātājs parasti tiek izmantots kā solis, lai atomi tiktu atdzesēti pietiekami, lai tos satvertu magnētoptiskajā slazdā. Tā kā atomu spektrālās līnijas ir šauras, tad, veicot Doplera dzesēšanu, vairs nevarēs ierosināt ar to pašu lāzera frekvenci, jo samazinoties ātrumam mainās Doplera nobīde. Viens no risinājumiem ir izmantot Zēmaņa efektu un atomu kūli laist caur nehomogēnu magnētisko lauku, lai nobīdītu līmeņu enerģijas.

Doplera dzesēšana

Doplera dzesēšanai tiek izmantoti lāzeri, kuru frekvence ir uzstādīta nedaudz zem atoma rezonanses frekvences. Ja atoms kustās lāzera virzienā, tad Doplera efekta dēļ tas novēro gaismu, kas sakrīt ar rezonenses frekvenci un tiek ierosināts. Tad tas, atgriežoties pamatstāvoklī, izstaro fotonu nejaušā virzienā, bet, to atkārtojot daudzas reizes, vidēji emisijas procesa radītā impulsa izmaiņa ir 0. Doplera dzesēšanai ir limits

$T_{\mathrm {Doplera} }=\hbar \gamma /(2k_{B})$

kur $\gamma$ ir izmantotās pārejas Lorenca platums, $k_{B}$ ir Bolcmaņa konstante un $\hbar$ ir svītrotā Planka konstante. Šis limits ir vairākas kārtas lielāks nekā fotonu atsitiena limits.

Magnētoptiskais slazds

Magnētoptiskais slazds papildus Doplera dzesēšanai izmanto telpā mainīgu magnētiskā kvadropola lauku, kas izraisa Zēmaņa nobīdi magnētiskajos apakšlīmeņos, kas palielinās attālinoties no centra. Līdz ar to attālinoties no centra, atoma rezonanses frekvence tuvojas lāzera frekvencei, kas palielina varbūtību atomam saņemt impulsu centra virzienā. Temperatūras, kas parasti tiek sasniegtas magnētoptiskajā slazdā ir daži simti mikrokelvinu. Zemākas temperatūras tiek iegūtas ar metodēm, ko neierobežo Doplera dzesēšanas limits.

Sīsifa dzesēšana

Sīsifa dzesēšana jeb polarizācijas gradienta dzesēšana izmanto divus lāzera starus ar ortogonālām polarizācijām, kas vērsti viens otram pretī. Staru interference rada stāvvilni ar mainīgu polarizāciju, kas izmaina apakšlīmeņu enerģijas. Ja atoms sāk no punkta ar zemāko potenciālo enerģiju, tad kustoties uz vietu ar lielāku potenciālo enerģiju, tā kinētiskā enerģija samazināsies. Tad atoms tiek ierosināts un pārejot atpakaļ un pamatlīmeni tas nonāk apakšlīmenī, kam ir zemāka potenciālā enerģija. Tā kā pāreja aizņem noteiktu laiku, tad atoms tiekot ierosināts vairs neatradīsies potenciālās enerģijas minimumā. Šī metode ļauj atdzesēt atomus zem Doplera dzesēšanas limita. ^[5] Robeža zemākajai temperatūrai, ko var sasniegt, izmantojot šo metodi, ir fotona atsitiena limits.

$T_{atsitiena}={\frac {\hbar ^{2}k^{2}}{2mk_{B}}}$

kur $k$ ir gaismas viļņa vektors un $m$ ir atoma masa. Šī robeža izriet no impulsa saglabāšanās likuma.

Iztvaicēšanas dzesēšana

Iztvaicēšanas dzesēšana ļauj iegūt zemākas temperatūras nekā ar optiskajām metodēm iespējams. Tā strādā samazinot slazda potenciāla dziļumu un ļaujot karstākajiem atomiem to pamest.

Pielietojumi

Pie ļoti zemām temperatūrām kļūst nozīmīgas kvantu īpašības, tāpēc ultraauksti atomi ļauj pētīt dažādas parādības. Tos izmantojot tika atklāts Bozes—Einšteina kondensāts, par ko tika piešķirta Nobela prēmija 2001. gadā.^[6]

Tie arī tiek pētīti pielietojumiem kvantu datoros un kvantu simulācijās.^[7]

Zema termālā trokšņa dēļ ultraauksti atomi ļauj veikt ļoti precīzus mērījumus.

Atsauces

↑ Hänsch, T. W.; Schawlow, A. L. (1975-01-01). "Cooling of gases by laser radiation" (en). Optics Communications 13 (1): 68–69. doi:10.1016/0030-4018(75)90159-5. ISSN 0030-4018.
↑ Wineland, D (1975). "Proposed 1014 Δν < ν Laser Fluorescence spectroscopy on Tl+ Mono-Ion Oscillator III". Bulletin of the American Physical Society 20: 637.
↑ William Phillips. «Nobel lecture». Skatīts: 15.05.2020.
↑ «The Nobel Prize in Physics 1997». NobelPrize.org (en-US). Skatīts: 2020-05-14.
↑ Dalibard, J.; Cohen-Tannoudji, C. (1989-11-01). "Laser cooling below the Doppler limit by polarization gradients: simple theoretical models" (EN). JOSA B 6 (11): 2023–2045. doi:10.1364/JOSAB.6.002023. ISSN 1520-8540.
↑ «The Nobel Prize in Physics 2001». NobelPrize.org (en-US). Skatīts: 2020-05-15.
↑ Bloch, Immanuel; Dalibard, Jean; Nascimbène, Sylvain (2012-04). "Quantum simulations with ultracold quantum gases" (en). Nature Physics 8 (4): 267–276. doi:10.1038/nphys2259. ISSN 1745-2481.

[1] Hänsch, T. W.; Schawlow, A. L. (1975-01-01). "Cooling of gases by laser radiation" (en). Optics Communications 13 (1): 68–69. doi:10.1016/0030-4018(75)90159-5. ISSN 0030-4018.

[2] Wineland, D (1975). "Proposed 1014 Δν < ν Laser Fluorescence spectroscopy on Tl+ Mono-Ion Oscillator III". Bulletin of the American Physical Society 20: 637.

[3] William Phillips. «Nobel lecture». Skatīts: 15.05.2020.

[4] «The Nobel Prize in Physics 1997». NobelPrize.org (en-US). Skatīts: 2020-05-14.

[5] Dalibard, J.; Cohen-Tannoudji, C. (1989-11-01). "Laser cooling below the Doppler limit by polarization gradients: simple theoretical models" (EN). JOSA B 6 (11): 2023–2045. doi:10.1364/JOSAB.6.002023. ISSN 1520-8540.

[6] «The Nobel Prize in Physics 2001». NobelPrize.org (en-US). Skatīts: 2020-05-15.

[7] Bloch, Immanuel; Dalibard, Jean; Nascimbène, Sylvain (2012-04). "Quantum simulations with ultracold quantum gases" (en). Nature Physics 8 (4): 267–276. doi:10.1038/nphys2259. ISSN 1745-2481.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]