Het is cool om klein te zijn. Wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben de optische componenten die nodig zijn om atomen af ​​te koelen geminiaturiseerd tot enkele duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt. de eerste stap om ze op microchips te gebruiken om een ​​nieuwe generatie supernauwkeurige atoomklokken aan te drijven, navigatie inschakelen zonder GPS, en simuleer kwantumsystemen.

Atomen afkoelen is hetzelfde als ze vertragen, wat het studeren een stuk makkelijker maakt. Op kamertemperatuur, atomen zoeven door de lucht met bijna de snelheid van het geluid, ongeveer 343 meter per seconde. de snelle, willekeurig bewegende atomen hebben slechts vluchtige interacties met andere deeltjes, en hun beweging kan het moeilijk maken om overgangen tussen atoomenergieniveaus te meten. Wanneer atomen langzaam kruipen - ongeveer 0,1 meter per seconde - kunnen onderzoekers de energietransities van de deeltjes en andere kwantumeigenschappen nauwkeurig genoeg meten om als referentiestandaarden te gebruiken in een groot aantal navigatie- en andere apparaten.

Al meer dan twee decennia, wetenschappers hebben atomen gekoeld door ze te bombarderen met laserlicht, een prestatie waarvoor NIST-natuurkundige Bill Phillips in 1997 de Nobelprijs voor natuurkunde deelde. Hoewel laserlicht normaal gesproken atomen zou activeren, waardoor ze sneller gaan, als de frequentie en andere eigenschappen van het licht zorgvuldig worden gekozen, het tegenovergestelde gebeurt. Bij het raken van de atomen, de laserfotonen verminderen het momentum van de atomen totdat ze langzaam genoeg bewegen om te worden gevangen door een magnetisch veld.

Maar om het laserlicht zo voor te bereiden dat het de eigenschappen heeft om atomen af ​​te koelen, is meestal een optische assemblage nodig die zo groot is als een eettafel. Dat is een probleem omdat het het gebruik van deze ultrakoude atomen buiten het laboratorium beperkt, waar ze een sleutelelement zouden kunnen worden van zeer nauwkeurige navigatiesensoren, magnetometers en kwantumsimulaties.

Nu hebben NIST-onderzoeker William McGehee en zijn collega's een compact optisch platform bedacht, slechts ongeveer 15 centimeter (5,9 inch) lang, dat afkoelt en gasvormige atomen opsluit in een gebied van 1 centimeter breed. Hoewel er andere miniatuurkoelsystemen zijn gebouwd, dit is de eerste die uitsluitend vertrouwt op plat, of vlak, optiek, die gemakkelijk in massa kunnen worden geproduceerd.

"Dit is belangrijk omdat het een manier laat zien om echte apparaten te maken en niet alleen kleine versies van laboratoriumexperimenten, " zei McGehee. Het nieuwe optische systeem, terwijl het nog steeds ongeveer 10 keer te groot is om op een microchip te passen, is een belangrijke stap in de richting van het gebruik van ultrakoude atomen in een groot aantal compacte, op chips gebaseerde navigatie- en kwantumapparaten buiten een laboratoriumomgeving. Onderzoekers van het Joint Quantum Institute, een samenwerking tussen NIST en de Universiteit van Maryland in College Park, samen met wetenschappers van het Institute for Research in Electronics and Applied Physics van de University of Maryland, heeft ook meegewerkt aan het onderzoek.

Het apparaat, online beschreven in de Nieuw tijdschrift voor natuurkunde, bestaat uit drie optische elementen. Eerst, licht wordt gelanceerd vanuit een optisch geïntegreerd circuit met behulp van een apparaat dat een extreme mode-converter wordt genoemd. De converter vergroot de smalle laserstraal, aanvankelijk ongeveer 500 nanometer (nm) in diameter (ongeveer vijfduizendste van de dikte van een mensenhaar), tot 280 keer die breedte. De vergrote bundel treft dan een zorgvuldig ontworpen, ultradunne film bekend als een "meta-oppervlak" dat is bezaaid met kleine pilaren, ongeveer 600 nm lang en 100 nm breed.

De nanopilaren zorgen ervoor dat de laserstraal nog een factor 100 groter wordt. De dramatische verbreding is nodig om de straal efficiënt te laten interageren met een grote verzameling atomen en deze af te koelen. Bovendien, door die prestatie binnen een klein gebied van de ruimte te volbrengen, het meta-oppervlak miniaturiseert het koelproces.

Het meta-oppervlak hervormt het licht op twee andere belangrijke manieren, tegelijkertijd de intensiteit en polarisatie (trillingsrichting) van de lichtgolven veranderen. Gewoonlijk, de intensiteit volgt een klokvormige curve, waarin het licht het helderst is in het midden van de straal, met een geleidelijke daling aan beide kanten. De NIST-onderzoekers ontwierpen de nanopilaren zodat de kleine structuren de intensiteit, het creëren van een straal met een uniforme helderheid over de gehele breedte. De uniforme helderheid maakt een efficiënter gebruik van het beschikbare licht mogelijk. Polarisatie van het licht is ook van cruciaal belang voor laserkoeling.

De uitbreidende, De hervormde bundel valt dan op een diffractierooster dat de enkele bundel splitst in drie paren gelijke en tegengesteld gerichte bundels. Gecombineerd met een aangelegd magnetisch veld, de vier balken, duwen op de atomen in tegengestelde richtingen, dienen om de afgekoelde atomen op te vangen.

Elk onderdeel van het optische systeem - de converter, het meta-oppervlak en het rooster - waren ontwikkeld bij NIST, maar waren in gebruik in afzonderlijke laboratoria op de twee NIST-campussen, in Gaithersburg, Maryland en Boulder, Colorado. McGehee en zijn team brachten de verschillende componenten samen om het nieuwe systeem te bouwen.

"Dat is het leuke van dit verhaal, " zei hij. "Ik kende alle NIST-wetenschappers die onafhankelijk van elkaar aan deze verschillende componenten hadden gewerkt, en ik realiseerde me dat de elementen konden worden samengevoegd om een ​​geminiaturiseerd laserkoelsysteem te creëren."

Hoewel het optische systeem 10 keer kleiner moet zijn dan laserkoele atomen op een chip, het experiment "is een principieel bewijs dat het kan, ', voegde McGehee eraan toe.

"Uiteindelijk, door de lichtvoorbereiding kleiner en minder gecompliceerd te maken, kunnen op laserkoeling gebaseerde technologieën buiten laboratoria bestaan, " hij zei.