Ультрахолодный атом

редактировать

Ультрахолодные атомы - это атомы, которые поддерживаются при температурах, близких к 0 кельвину (абсолютному нулю ), обычно ниже нескольких десятков микрокельвинов ( мкК). При этих температурах становятся важными квантово-механические свойства атома.

Для достижения таких низких температур обычно необходимо использовать комбинацию нескольких методов. Во-первых, атомы обычно захватываются и предварительно охлаждаются посредством лазерного охлаждения в магнитооптической ловушке. Для достижения минимально возможной температуры осуществляется дальнейшее охлаждение с использованием испарительного охлаждения в магнитной или оптической ловушке. Несколько Нобелевских премий по физике связаны с разработкой методов манипулирования квантовыми свойствами отдельных атомов (например, 1995–1997, 2001, 2005, 2012, 2017).

Эксперименты с ультрахолодными атомами изучают множество явлений, включая квантовые фазовые переходы, конденсацию Бозе – Эйнштейна (БЭК), бозонную сверхтекучесть, квантовый магнетизм, многочастичный спиновая динамика, констатирует Ефимов, сверхтекучесть Бардина – Купера – Шриффера (БКШ) и. В некоторых из этих исследовательских направлений системы ультрахолодных атомов используются в качестве квантовых симуляторов для изучения физики других систем, включая модели Изинга и Хаббарда.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Применения
  • 3 См. Также
  • 4 Ссылки
  • 5 Источники

История

Образцы ультрахолодных атомов обычно готовятся посредством взаимодействия разбавленных газ с лазерным полем. Доказательства радиационного давления, силы, создаваемой светом на атомы, были независимо продемонстрированы Лебедевым, Николсом и Халлом в 1901 году. В 1933 году Отто Фриш продемонстрировал отклонение отдельных частиц натрия под действием света, генерируемого натриевой лампой..

Изобретение лазера стимулировало разработку дополнительных методов управления атомами с помощью света. Использование лазерного света для охлаждения атомов было впервые предложено в 1975 году благодаря использованию эффекта Доплера, чтобы сделать силу излучения на атоме зависимой от его скорости, метод, известный как доплеровское охлаждение. Подобные идеи были предложены и для охлаждения образцов захваченных ионов. Применение доплеровского охлаждения в трех измерениях будет замедлять атомы до скоростей, которые обычно составляют несколько см / с, и производить так называемую оптическую патоку.

Как правило, источником нейтральных атомов для этих экспериментов были тепловые печи, которые производили атомы. при температуре в несколько сотен кельвинов. Атомы из этих печных источников движутся со скоростью сотни метров в секунду. Одной из основных технических проблем при доплеровском охлаждении было увеличение времени, в течение которого атом может взаимодействовать со светом лазера. Эта проблема была преодолена с появлением Zeeman Slower. Зеемановский замедлитель использует пространственно изменяющееся магнитное поле для поддержания относительного энергетического интервала атомных переходов, участвующих в доплеровском охлаждении. Это увеличивает количество времени, которое атом проводит, взаимодействуя с лазерным светом.

Разработка первой магнитооптической ловушки (МОЛ) Раабом и др. В 1987 году был сделан важный шаг на пути к созданию образцов ультрахолодных атомов. Типичные температуры, достигаемые с помощью MOT, составляют от десятков до сотен микрокельвинов. По сути, магнитооптическая ловушка удерживает атомы в пространстве, прикладывая магнитное поле, так что лазеры не только создают силу, зависящую от скорости, но и силу, изменяющуюся в пространстве. Нобелевская премия по физике 1997 года была присуждена за разработку методов охлаждения и улавливания атомов с помощью лазерного света и разделили Стивен Чу, Клод Коэн-Таннуджи и Уильям Д. Phillips.

Испарительное охлаждение использовалось в экспериментальных усилиях по достижению более низких температур в попытке открыть новое состояние вещества, предсказанное Сатьендрой Нат Бозе и Альбертом Эйнштейном, известное как Бозе– Конденсат Эйнштейна (BEC). При испарительном охлаждении самые горячие атомы в образце улетучиваются, что снижает среднюю температуру образца. Нобелевская премия 2001 г. была присуждена Эрику А. Корнеллу, Вольфгангу Кеттерле и Карлу Э. Виману за достижение конденсата Бозе – Эйнштейна в разреженных газах щелочных атомов и для ранних фундаментальных исследований свойств конденсатов.

Приложения

Ультрахолодные атомы имеют множество применений из-за их уникальных квантовых свойств и отличного экспериментального контроля, доступного в таких системах. Например, ультрахолодные атомы были предложены в качестве платформы для квантовых вычислений и квантового моделирования, сопровождаемые очень активными экспериментальными исследованиями для достижения этих целей.

Квантовое моделирование представляет большой интерес в контексте физики конденсированного состояния, где оно может дать ценную информацию о свойствах взаимодействующих квантовых систем. Ультрахолодные атомы используются для реализации аналога интересующей системы конденсированного состояния, которую затем можно исследовать с помощью инструментов, доступных в конкретной реализации. Поскольку эти инструменты могут сильно отличаться от тех, что доступны в реальной системе конденсированных сред, можно, таким образом, экспериментально исследовать недоступные иным образом количества. Кроме того, ультрахолодные атомы могут даже позволить создавать экзотические состояния материи, которые иначе невозможно наблюдать в природе.

Ультрахолодные атомы также используются в экспериментах для прецизионных измерений благодаря низкому тепловому шуму и, в некоторых случаях, за счет использования квантовой механики для превышения стандартного квантового предела. Помимо потенциальных технических приложений, такие прецизионные измерения могут служить проверкой нашего нынешнего понимания физики.

См. Также

Ссылки

Источники

Последняя правка сделана 2021-06-20 10:06:17
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте