Mit Lasern arbeitende Physiker übernehmen die Kontrolle über das Verhalten der Atome | 2020

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Anonim

In einem Artikel, der in der Ausgabe vom 5. Oktober veröffentlicht wurde Physische ÜberprüfungsschreibenEin Team von Physikern der Universität Chicago erklärt, wie man einen Laser so abstimmt, dass sich Atome in einem exotischen Materiezustand, dem Bose-Einstein-Kondensat, gegenseitig anziehen oder abstoßen.

"Damit wird ein Ziel verwirklicht, das in den letzten 20 Jahren verfolgt wurde", sagte Cheng Chin, Professor für Physik an der Universität von Chicago, der das Team leitete. "Diese exquisite Kontrolle über Wechselwirkungen in einem Vielkörpersystem bietet ein großes Potenzial für die Erforschung exotischer Quantenphänomene und die Entwicklung neuartiger Quantengeräte."

Viele Forschungsgruppen in den USA und in Europa haben im letzten Jahrzehnt verschiedene Ideen ausprobiert. Es war Logan Clark, ein Doktorand in Chin's Gruppe, der die erste praktische Lösung fand. Er hat die Idee nun im Labor mit Cäsiumatomen demonstriert, die auf Temperaturen von nur einem Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt sind, und die Technik kann weithin auf andere atomare Spezies angewendet werden.

Clark verglich den Vorgang mit einem Billardspiel, bei dem ein Ball auf einen anderen trifft. "Normalerweise stoßen sich die Kugeln gegenseitig ab, sobald sich die Oberflächen berühren", sagte Clark. In Chin's Labor ersetzen Cäsiumatome die Billardkugeln und stoßen sich normalerweise gegenseitig ab, wenn sie kollidieren. Durch Drehen des Lasers bei einer "magischen" Wellenlänge zeigte Clark, dass die Abstoßung zwischen Atomen in Anziehung umgewandelt werden kann.

"Die Atome zeigen in diesem System ein faszinierendes Verhalten", sagte er. Indem wir verschiedene Teile der Probe unterschiedlichen Laserintensitäten aussetzen, können wir wählen, ob die Atome sich gegenseitig anziehen oder abstoßen oder ohne Kollision durcheinander laufen sollen.

Alternativ dazu können die Atome durch oszillierende Wechselwirkungen, analog zum schnellen Wachsen und Schrumpfen der Billardkugeln beim Rollen, paarweise aneinander haften.

Die Forscher erklärten zwei grundlegende Möglichkeiten, wie Laser die atomare Bewegung beeinflussen. Eine Möglichkeit besteht darin, Potenziale wie eine Erhebung oder ein Tal auf dem Billardtisch zu erzeugen, die proportional zur Laserintensität sind. Der neue Weg ist zu ändern, wie Billardkugeln kollidieren.

"Wir wollen, dass unser Laser Kollisionen kontrolliert, aber wir wollen nicht, dass Hügel oder Täler entstehen", sagte Clark. Wenn der Laser auf eine "magische Wellenlänge" eingestellt ist, erzeugt der Strahl keine Hügel oder Täler, sondern wirkt sich nur auf Kollisionen aus.

"Das liegt daran, dass die magische Wellenlänge zufällig zwischen zwei angeregten Zuständen des Atoms liegt, sodass sie sich auf magische Weise gegenseitig aufheben", sagte er.

Magie ist ein Konzept, das in der Wissenschaft keinen Platz hat, obwohl das Wort unter Atomphysikern ziemlich häufig verwendet wird. "Im Allgemeinen wird es verwendet, um sich auf eine Wellenlänge zu beziehen, bei der zwei Effekte aufheben oder gleich sind, insbesondere wenn diese Aufhebung oder Gleichheit für ein technologisches Ziel nützlich ist", sagte Clark.