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.
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.
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.