Ультрахолодный атом

В физике конденсированного состояния ультрахолодный атом — это атом с температурой , близкой к абсолютному нулю . свойства атома квантово-механические При таких температурах становятся важными .

Для достижения таких низких температур обычно приходится использовать комбинацию нескольких методов. ^{[ 1 ]} Сначала атомы улавливаются и предварительно охлаждаются посредством лазерного охлаждения в магнитооптической ловушке . Для достижения минимально возможной температуры дальнейшее охлаждение осуществляют с помощью испарительного охлаждения в магнитной или оптической ловушке . Несколько Нобелевских премий по физике связаны с разработкой методов управления квантовыми свойствами отдельных атомов (например, 1989, 1996, 1997, 2001, 2005, 2012, 2018).

Эксперименты с ультрахолодными атомами изучают множество явлений, включая квантовые фазовые переходы , конденсацию Бозе-Эйнштейна (БЭК), бозонную сверхтекучесть , квантовый магнетизм , спиновую динамику многих тел, состояния Ефимова , сверхтекучесть Бардина-Купера-Шриффера (БКШ) и БЭК. – кроссовер BCS . ^{[ 2 ]} Некоторые из этих направлений исследований используют системы ультрахолодных атомов в качестве квантовых симуляторов для изучения физики других систем, включая унитарный ферми-газ и модели Изинга и Хаббарда . ^{[ 3 ]} Ультрахолодные атомы также могут быть использованы для реализации квантовых компьютеров. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

История

Образцы ультрахолодных атомов обычно готовятся путем взаимодействия разбавленного газа с лазерным полем. Доказательства радиационного давления, силы света, воздействующей 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 с использованием эффекта Доплера, позволяющего сделать силу излучения, действующую на атом, зависимой от его скорости. Этот метод известен как доплеровское охлаждение . Подобные идеи были предложены и для охлаждения образцов захваченных ионов. Применение доплеровского охлаждения в трех измерениях замедлит атомы до скоростей, которые обычно составляют несколько см/с, и создаст так называемую оптическую патоку . ^{[ 6 ]}

Обычно источником нейтральных атомов для этих экспериментов были термические печи, в которых производились атомы при температуре в несколько сотен Кельвинов. Атомы этих печных источников движутся со скоростью сотни метров в секунду. Одной из основных технических проблем доплеровского охлаждения было увеличение времени, в течение которого атом может взаимодействовать с лазерным светом. Эта проблема была решена благодаря внедрению Zeeman Slower . Zeeman Slower использует пространственно изменяющееся магнитное поле для поддержания относительного энергетического расстояния между атомными переходами, участвующими в доплеровском охлаждении. Это увеличивает количество времени, которое атом проводит во взаимодействии с лазерным светом. В экспериментах также можно использовать металлические дозаторы, которые представляют собой стержни из чистого металла (обычно из щелочных металлов ), которые при нагревании ( давление пара выше) могут излучать электрический ток.

Разработка первой магнитооптической ловушки (МОЛ) Раабом и др. 1987 г. стал важным шагом на пути создания образцов ультрахолодных атомов. Типичные температуры, достигаемые с помощью MOT, составляют от десятков до сотен микрокельвинов. По сути, магнитооптическая ловушка удерживает атомы в пространстве, применяя магнитное поле, так что лазеры создают не только силу, зависящую от скорости, но и пространственно изменяющуюся силу. Нобелевская премия 1997 года. ^{[ 6 ]} Степень по физике была присуждена за разработку методов охлаждения и улавливания атомов с помощью лазерного света, ее разделили Стивен Чу , Клод Коэн-Таннуджи и Уильям Д. Филлипс .

Испарительное охлаждение использовалось в экспериментальных попытках достичь более низких температур в попытке открыть новое состояние вещества, предсказанное Сатьендрой Нат Бозе и Альбертом Эйнштейном, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК). При испарительном охлаждении самые горячие атомы образца могут уйти, что снижает среднюю температуру образца. Нобелевская премия 2001 года. ^{[ 1 ]} была присуждена Эрику А. Корнеллу , Вольфгангу Кеттерле и Карлу Э. Виману за создание конденсата Бозе-Эйнштейна в разбавленных газах с атомами щелочных металлов, а также за ранние фундаментальные исследования свойств конденсатов.

В последние годы различные субдоплеровского охлаждения методы , в том числе охлаждение градиентом поляризации , охлаждение серой патокой и охлаждение боковой полосы комбинационного рассеяния , позволили охлаждать и улавливать одиночные атомы в оптических пинцетах . ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}^{[ 9 ]} Экспериментальные платформы, использующие ультрахолодные нейтральные атомы в оптических пинцетах и оптических решетках, становятся все более популярной средой для изучения квантовых вычислений, квантового моделирования и точной метрологии . Атомы с замкнутыми циклическими переходами, способные рассеивать множество фотонов с низкой вероятностью распада в другие состояния, являются частым выбором для экспериментов с ультрахолодными нейтральными атомами. Переходы тонкой структуры с самой низкой энергией в атомах щелочных металлов позволяют получать флуоресцентные изображения, а комбинация сверхтонких и зеемановских подуровней может использоваться для реализации субдоплеровского охлаждения. Щелочноземельные атомы также приобрели популярность благодаря охлаждающим переходам с узкой шириной линии и сверхузким оптическим часовым переходам.

Приложения

Ультрахолодные атомы имеют множество применений благодаря своим уникальным квантовым свойствам и обширным экспериментальным возможностям, доступным в таких системах. Например, ультрахолодные атомы были предложены в качестве платформы для квантовых вычислений и квантового моделирования. ^{[ 10 ]} сопровождалось 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 конденсированной системы, которую затем можно исследовать с помощью инструментов, доступных в конкретной реализации. Поскольку эти инструменты могут сильно отличаться от тех, которые доступны в реальной системе конденсированного состояния, можно таким образом экспериментально исследовать недоступные иначе количества. Более того, ультрахолодные атомы могут даже позволить создавать экзотические состояния материи, которые иначе невозможно наблюдать в природе.

Все атомы идентичны, что делает ансамбли атомов идеальными для универсального измерения времени. В 1967 году определение секунды в системе SI было изменено и теперь относится к частоте сверхтонкого перехода в атомах цезия. Атомные часы на основе щелочноземельных атомов или щелочноземельных ионов (таких как Al ⁺) в настоящее время разработаны с использованием узколинейных оптических переходов. Чтобы добиться большого количества невзаимодействующих атомов, что способствует точности этих часов, нейтральные атомы можно захватить в оптические решетки. С другой стороны, ионные ловушки допускают длительное время опроса.

Ультрахолодные атомы также используются в экспериментах для прецизионных измерений, что обеспечивается низким тепловым шумом и, в некоторых случаях, использованием квантовой механики для превышения стандартного квантового предела. Помимо потенциальных технических применений, такие прецизионные измерения могут служить проверкой нашего нынешнего понимания физики.

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б «Нобелевская премия по физике 2001 года — популярная информация» . www.nobelprize.org . Проверено 27 января 2016 г.
^ Мэдисон, КВ; Ван, YQ; Рей, AM; и др., ред. (2013). Ежегодный обзор холодных атомов и молекул . Том. 1. Мировая научная. дои : 10.1142/8632 . ISBN 978-981-4440-39-4 .
^ Блох, Иммануэль; Далибар, Жан; Насимбен, Сильвен (2012). «Квантовое моделирование с ультрахолодными квантовыми газами». Физика природы . 8 (4): 267–276. Бибкод : 2012NatPh...8..267B . дои : 10.1038/nphys2259 . S2CID 17023076 .
^ Немировский, Джонатан; Саги, Йоав (2021), «Быстрый универсальный двухкубитный вентиль для нейтральных фермионных атомов в оптических пинцетах», Physical Review Research , 3 (1): 013113, arXiv : 2008.09819 , Bibcode : 2021PhRvR...3a3113N , doi : 10.1103/ PhysRevResearch.3.013113
^ Блувштейн, Долев; Эверед, Саймон Дж.; Гейм, Александра А.; Ли, Софи Х.; Чжоу, Хэнъюнь; Мановиц, Том; Эбади, Сепер; Каин, Мэделин; Калиновский, Марцин; Ханглейтер, Доминик; Бонилья Атаидес, Дж. Пабло; Маскара, Нишад; Конг, Ирис; Гао, Сюнь; Продажи Родригес, Педро. «Логический квантовый процессор на основе реконфигурируемых массивов атомов» . Природа . 626 (7997): 58–65. arXiv : 2312.03982 . дои : 10.1038/s41586-023-06927-3 . ISSN 1476-4687 .
^ Jump up to: ^а ^б «Пресс-релиз: Нобелевская премия по физике 1997 года» . www.nobelprize.org . Проверено 27 января 2016 г.
^ Далибард, Дж.; Коэн-Таннуджи, К. (1989). «Лазерное охлаждение ниже доплеровского предела за счет градиентов поляризации: простые теоретические модели» . Журнал Оптического общества Америки Б. 6 (11): 2023–2045 – через издательскую группу Optica.
^ Вайдемюллер, М.; Эсслингер, Т.; Ольшаний, М.А.; Хеммерих, А.; Хэнш, Т.В. (1994). «Новая схема эффективного охлаждения ниже предела отдачи фотонов» . ЭПЛ . 27 (109) – через IOP Science.
^ Керман, Эндрю Дж.; Вулетич, Владан; Чин, Ченг; Чу, Стивен (17 января 2000 г.). «За пределами оптической патоки: трехмерное рамановское охлаждение атомарного цезия по боковой полосе до высокой плотности фазового пространства» . Письма о физических отзывах . 84 (439) – через АПС.
^ Блох, Иммануэль; Далибар, Жан; Насимбен, Сильвен (2012). «Квантовое моделирование с ультрахолодными квантовыми газами». Физика природы . 8 (4): 267–276. Бибкод : 2012NatPh...8..267B . дои : 10.1038/nphys2259 . S2CID 17023076 .

Источники

Блох, Иммануэль (2008). «Квантовые газы». Наука . 319 (5867): 1202–1203. Бибкод : 2008Sci...319.1202B . дои : 10.1126/science.1152501 . ПМИД 18309072 . S2CID 28871617 .
Руссо, Валерий (2010). «Чистые фазы Мотта в замкнутых ультрахолодных атомных системах». Физ. Преподобный Летт . 104 (16): 167201. arXiv : 0909.3543 . Бибкод : 2010PhRvL.104p7201R . doi : 10.1103/PhysRevLett.104.167201 . ПМИД 20482076 . S2CID 9940436 .

[:0-1] Jump up to: ^а ^б «Нобелевская премия по физике 2001 года — популярная информация» . www.nobelprize.org . Проверено 27 января 2016 г.

[2] Мэдисон, КВ; Ван, YQ; Рей, AM; и др., ред. (2013). Ежегодный обзор холодных атомов и молекул . Том. 1. Мировая научная. дои : 10.1142/8632 . ISBN 978-981-4440-39-4 .

[3] Блох, Иммануэль; Далибар, Жан; Насимбен, Сильвен (2012). «Квантовое моделирование с ультрахолодными квантовыми газами». Физика природы . 8 (4): 267–276. Бибкод : 2012NatPh...8..267B . дои : 10.1038/nphys2259 . S2CID 17023076 .

[4] Немировский, Джонатан; Саги, Йоав (2021), «Быстрый универсальный двухкубитный вентиль для нейтральных фермионных атомов в оптических пинцетах», Physical Review Research , 3 (1): 013113, arXiv : 2008.09819 , Bibcode : 2021PhRvR...3a3113N , doi : 10.1103/ PhysRevResearch.3.013113

[5] Блувштейн, Долев; Эверед, Саймон Дж.; Гейм, Александра А.; Ли, Софи Х.; Чжоу, Хэнъюнь; Мановиц, Том; Эбади, Сепер; Каин, Мэделин; Калиновский, Марцин; Ханглейтер, Доминик; Бонилья Атаидес, Дж. Пабло; Маскара, Нишад; Конг, Ирис; Гао, Сюнь; Продажи Родригес, Педро. «Логический квантовый процессор на основе реконфигурируемых массивов атомов» . Природа . 626 (7997): 58–65. arXiv : 2312.03982 . дои : 10.1038/s41586-023-06927-3 . ISSN 1476-4687 .

[:1-6] Jump up to: ^а ^б «Пресс-релиз: Нобелевская премия по физике 1997 года» . www.nobelprize.org . Проверено 27 января 2016 г.

[7] Далибард, Дж.; Коэн-Таннуджи, К. (1989). «Лазерное охлаждение ниже доплеровского предела за счет градиентов поляризации: простые теоретические модели» . Журнал Оптического общества Америки Б. 6 (11): 2023–2045 – через издательскую группу Optica.

[8] Вайдемюллер, М.; Эсслингер, Т.; Ольшаний, М.А.; Хеммерих, А.; Хэнш, Т.В. (1994). «Новая схема эффективного охлаждения ниже предела отдачи фотонов» . ЭПЛ . 27 (109) – через IOP Science.

[9] Керман, Эндрю Дж.; Вулетич, Владан; Чин, Ченг; Чу, Стивен (17 января 2000 г.). «За пределами оптической патоки: трехмерное рамановское охлаждение атомарного цезия по боковой полосе до высокой плотности фазового пространства» . Письма о физических отзывах . 84 (439) – через АПС.

[10] Блох, Иммануэль; Далибар, Жан; Насимбен, Сильвен (2012). «Квантовое моделирование с ультрахолодными квантовыми газами». Физика природы . 8 (4): 267–276. Бибкод : 2012NatPh...8..267B . дои : 10.1038/nphys2259 . S2CID 17023076 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]