De wereld van een atoom is er een van willekeurige chaos en hitte. Bij kamertemperatuur, een wolk van atomen is een waanzinnige puinhoop, met atomen die langs elkaar vliegen en botsen, voortdurend van richting en snelheid veranderen.

Dergelijke willekeurige bewegingen kunnen worden vertraagd, en zelfs helemaal gestopt, door de atomen drastisch af te koelen. Bij een haar boven het absolute nulpunt, voorheen hectische atomen veranderen in een bijna zombie-achtige staat, bewegen als een golfachtige formatie, in een kwantumvorm van materie die bekend staat als een Bose-Einstein-condensaat.

Sinds de eerste Bose-Einstein-condensaten in 1995 met succes werden geproduceerd door onderzoekers in Colorado en door Wolfgang Ketterle en collega's van het MIT, wetenschappers hebben hun vreemde kwantumeigenschappen geobserveerd om inzicht te krijgen in een aantal fenomenen, inclusief magnetisme en supergeleiding. Maar het afkoelen van atomen tot condensaat is traag en inefficiënt, en meer dan 99 procent van de atomen in de oorspronkelijke wolk gaat daarbij verloren.

Nutsvoorzieningen, Natuurkundigen van het MIT hebben een nieuwe techniek uitgevonden om atomen af ​​te koelen tot condensaten. dat is sneller dan de conventionele methode en behoudt een groot deel van de oorspronkelijke atomen. Het team gebruikte een nieuw proces van laserkoeling om een ​​wolk rubidiumatomen helemaal af te koelen van kamertemperatuur tot 1 microkelvin, of minder dan een miljoenste graad boven het absolute nulpunt.

Met deze techniek, het team kon 2 koelen, 000 atomen, en van daaruit genereren een condensaat van 1, 400 atomen, 70 procent van de oorspronkelijke cloud behouden. Hun resultaten worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

"Mensen proberen Bose-Einstein-condensaten te gebruiken om magnetisme en supergeleiding te begrijpen, evenals het gebruik ervan om gyroscopen en atoomklokken te maken, " zegt Vladan Vuletić, de Lester Wolfe hoogleraar natuurkunde aan het MIT. "Onze techniek zou al deze onderzoeken kunnen versnellen."

Vuletić is de senior auteur van het artikel, waaronder ook eerste auteur en onderzoeksassistent Jiazhong Hu, evenals Zachary Vendeiro, Valentin Crepel, Alban Urvoy, en Wenlan Chen.

"Een kleine fractie en een groot nadeel"

Wetenschappers hebben conventioneel Bose-Einstein-condensaten gecreëerd door een combinatie van laserkoeling en verdampingskoeling. Het proces begint over het algemeen door laserstralen vanuit verschillende richtingen op een wolk van atomen te laten schijnen. De fotonen in de bundel werken als kleine pingpongballen, weerkaatst veel groter, atomen ter grootte van een basketbal, en ze bij elke botsing een beetje vertragen. De fotonen van de laser werken ook om de wolk van atomen te comprimeren, beperken hun beweging en koelen ze in het proces. Maar onderzoekers hebben ontdekt dat er een limiet is aan hoeveel een laser atomen kan afkoelen:hoe dichter een wolk wordt, hoe minder ruimte er is voor fotonen om te verstrooien; in plaats daarvan beginnen ze warmte te genereren.

Op dit punt in het proces, wetenschappers doen meestal het licht uit en schakelen over op verdampingskoeling, die Vuletić beschrijft als "als het koelen van een koffiekopje - je wacht gewoon tot de heetste atomen ontsnappen." Maar dit is een langzaam proces dat uiteindelijk meer dan 99 procent van de oorspronkelijke atomen verwijdert om de atomen vast te houden die koud genoeg zijn om in Bose-Einstein-condensaten te veranderen.

"Uiteindelijk, je moet beginnen met meer dan 1 miljoen atomen om een ​​condensaat te krijgen dat uit slechts 10 bestaat, 000 atomen, " zegt Vuletić. "Dat is een kleine fractie en een groot nadeel."

Een draai geven

Vuletić en zijn collega's hebben een manier gevonden om de aanvankelijke beperkingen van laserkoeling te omzeilen, om atomen van begin tot eind af te koelen tot condensaten met behulp van laserlicht - een veel snellere, atoombesparende benadering die hij beschrijft als een "langdurige droom" onder natuurkundigen in het veld.

"Wat we hebben uitgevonden was een nieuwe draai aan de methode om het te laten werken bij hoge [atomaire] dichtheden, " zegt Vuletić.

De onderzoekers gebruikten conventionele laserkoelingstechnieken om een ​​wolk rubidiumatomen af ​​te koelen tot net boven het punt waarop atomen zo gecomprimeerd raken dat fotonen het monster beginnen op te warmen.

Vervolgens schakelden ze over op een methode die bekend staat als Raman-koeling, waarin ze een set van twee laserstralen gebruikten om de atomen verder af te koelen. Ze stemden de eerste straal zo af dat de fotonen, wanneer geabsorbeerd door atomen, veranderde de kinetische energie van de atomen in magnetische energie. de atomen, in antwoord, vertraagd en verder afgekoeld, terwijl ze hun oorspronkelijke totale energie behouden.

Het team richtte vervolgens een tweede laser op de sterk gecomprimeerde wolk, die zo was afgestemd dat de fotonen, wanneer geabsorbeerd door de langzamere atomen, de totale energie van de atomen verwijderd, ze nog verder afkoelen.

"Uiteindelijk nemen de fotonen de energie van het systeem weg in een proces in twee stappen, " zegt Vuletić. "In één stap, je verwijdert kinetische energie, en in de tweede stap, je verwijdert de totale energie en vermindert de stoornis, wat betekent dat je het hebt afgekoeld."

Hij legt uit dat door de kinetische energie van de atomen te verwijderen, men doet in wezen hun willekeurige bewegingen weg en verandert de atomen in een meer uniforme, kwantumgedrag dat lijkt op Bose-Einstein-condensaten. Deze condensaten kunnen uiteindelijk vorm krijgen wanneer de atomen hun totale energie hebben verloren en voldoende zijn afgekoeld om in hun laagste kwantumtoestand te blijven.

Om dit punt te bereiken, de onderzoekers ontdekten dat ze nog een stap verder moesten gaan om de atomen volledig af te koelen tot condensaten. Om dit te doen, ze moesten de lasers afstellen van atomaire resonantie, wat betekent dat het licht gemakkelijker uit de atomen kan ontsnappen zonder ze rond te duwen en te verwarmen.

"De atomen worden bijna transparant voor de fotonen, " zegt Vuletić.

Dit betekent dat binnenkomende fotonen minder snel door atomen worden geabsorbeerd, trillingen en hitte veroorzaken. In plaats daarvan, elk foton stuitert op slechts één atoom.

"Voordat, toen er een foton binnenkwam, het werd verspreid door, zeggen, 10 atomen voordat het uitkwam, dus het maakte 10 atomen jitter, " zegt Vuletić. "Als je de laser afstemt op resonantie, nu heeft het foton een goede kans om te ontsnappen voordat het een ander atoom raakt. En het blijkt dat door het laservermogen te vergroten, je kunt de oorspronkelijke koelsnelheid terugbrengen."

Het team ontdekte dat met hun laserkoelingstechniek, ze waren in staat om rubidium-atomen in slechts 0,1 seconde af te koelen van 200 microkelvin tot 1 microkelvin, in een proces dat 100 keer sneller is dan de conventionele methode. Bovendien, het eindmonster van de groep van Bose-Einstein-condensaten bevatte 1, 400 atomen, uit een originele wolk van 2, 000, het behoud van een veel grotere fractie gecondenseerde atomen in vergelijking met bestaande methoden.

“Toen ik afstudeerde, mensen hadden veel verschillende methoden geprobeerd, alleen met behulp van laserkoeling, en het werkte niet, en mensen gaven het op. Het was een lang gekoesterde droom om dit proces eenvoudiger te maken, sneller, robuuster, " Zegt Vuletić. "Dus we zijn behoorlijk opgewonden om onze benadering uit te proberen op nieuwe soorten atomen, en we denken dat we het kunnen krijgen om 1 te maken 000 keer grotere condensaten in de toekomst."