Gelombang Jirim Abadi: Ahli Fizik Membina Laser Atom Yang Boleh Kekal Selamanya

Ahli fizik Universiti Amsterdam membina laser atom yang boleh kekal selama-lamanya. Kredit: UVA

Hari ini, membayangkan kehidupan seharian kita tanpa laser adalah sukar. Laser digunakan dalam pencetak, pemain CD, alat pengukur, penunjuk, dan sebagainya.

Apa yang menjadikan laser begitu istimewa ialah ia menggunakan gelombang cahaya yang koheren: semua cahaya di dalam laser bergetar sepenuhnya serentak. Sementara itu, mekanik kuantum memberitahu kita bahawa zarah seperti atom juga harus dianggap sebagai gelombang. Hasilnya, kita boleh membina ‘atom laser’ yang mengandungi gelombang jirim yang koheren. Tetapi bolehkah kita membuat gelombang perkara ini bertahan lama, supaya ia boleh digunakan dalam aplikasi?

Dalam penyelidikan yang diterbitkan dalam jurnal alam semula jadi pada 8 Jun, sepasukan ahli fizik dari Universiti Amsterdam menunjukkan bahawa jawapan kepada soalan ini adalah afirmatif.

Mendapatkan boson untuk berarak selari

Konsep yang mendasari laser atom adalah yang dipanggil Kondensat Bose-Einsteinatau singkatannya BEC.

Zarah asas dalam alam semula jadi berlaku dalam dua jenis: fermion dan boson. Fermion ialah zarah seperti elektron dan kuark – bahan binaan jirim yang diperbuat daripada kita. Boson sangat berbeza sifatnya: ia tidak keras seperti fermion, tetapi lembut: sebagai contoh, ia boleh bergerak melalui satu sama lain tanpa masalah. Contoh boson yang paling terkenal ialah foton, kuantiti cahaya terkecil yang mungkin.

Tetapi zarah jirim juga boleh bergabung untuk membentuk boson – sebenarnya, seluruh atom boleh berkelakuan seperti zarah cahaya. Apa yang menjadikan boson begitu istimewa ialah kesemuanya boleh berada dalam keadaan yang sama pada masa yang sama, atau diungkapkan dalam istilah yang lebih teknikal: mereka boleh ‘memeluwap’ menjadi gelombang yang koheren. Apabila pemeluwapan jenis ini berlaku untuk zarah jirim, ahli fizik memanggil bahan yang terhasil sebagai Kondensat Bose-Einstein.

Gelombang Jirim Koheren

Bahagian tengah eksperimen di mana gelombang jirim koheren dicipta. Atom segar (biru) jatuh dan menuju ke Bose-Einstein Condensate di tengah. Pada hakikatnya, atom tidak dapat dilihat dengan mata kasar. Pemprosesan imej oleh Scixel. Kredit: UVA

Dalam kehidupan seharian, kita sama sekali tidak biasa dengan kondensat ini. Sebabnya: adalah sangat sukar untuk mendapatkan atom supaya semua berkelakuan sebagai satu. Punca yang memusnahkan sinkronisitas ialah suhu: apabila bahan menjadi panas, zarah konstituen mula bergoyang-goyang, dan menjadi hampir mustahil untuk membuat mereka berkelakuan sebagai satu. Hanya pada suhu yang sangat rendah, kira-kira satu juta darjah di atas sifar mutlak (kira-kira 273 darjah di bawah sifar pada Celcius skala), adakah terdapat peluang untuk membentuk gelombang jirim koheren BEC.

Pecah sekejap

Seperempat abad yang lalu, Bose-Einstein Condensates pertama dicipta dalam makmal fizik. Ini membuka kemungkinan untuk membina laser atom – peranti yang secara literal mengeluarkan pancaran jirim – tetapi peranti ini hanya dapat berfungsi untuk masa yang sangat singkat. Laser boleh menghasilkan denyutan gelombang jirim, tetapi selepas menghantar denyutan sedemikian, BEC baharu perlu dibuat sebelum denyutan seterusnya boleh dihantar keluar.

Untuk langkah pertama ke arah laser atom, ini masih tidak buruk. Malah, laser optik biasa juga dibuat dalam varian berdenyut sebelum ahli fizik dapat mencipta berterusan laser. Tetapi sementara perkembangan untuk laser optik telah berjalan dengan sangat pantas, laser berterusan pertama dihasilkan dalam tempoh enam bulan selepas rakannya berdenyut, untuk laser atom versi berterusan kekal sukar difahami selama lebih daripada 25 tahun.

Jelas apa masalahnya: BEC sangat rapuh, dan cepat musnah apabila cahaya mengenainya. Namun kehadiran cahaya adalah penting dalam membentuk kondensat: untuk menyejukkan bahan sehingga sepersejuta darjah, seseorang perlu menyejukkan atomnya menggunakan cahaya laser. Akibatnya, BEC dihadkan kepada letusan sekejap, tanpa cara untuk mengekalkannya secara koheren.

Hadiah Krismas

Satu pasukan ahli fizik dari Universiti Amsterdam kini telah berjaya menyelesaikan masalah sukar untuk mencipta Kondensat Bose-Einstein yang berterusan. Florian Schreck, ketua pasukan, menerangkan helah itu. “Dalam eksperimen sebelum ini, penyejukan atom secara beransur-ansur semuanya dilakukan di satu tempat. Dalam persediaan kami, kami memutuskan untuk menyebarkan langkah penyejukan bukan dari semasa ke semasa, tetapi di ruang angkasa: kami membuat atom bergerak semasa ia maju melalui langkah penyejukan berturut-turut. Akhirnya, atom ultrasejuk tiba di tengah-tengah eksperimen, di mana ia boleh digunakan untuk membentuk gelombang jirim yang koheren dalam BEC. Tetapi semasa atom ini digunakan, atom baru sudah dalam perjalanan untuk menambah BEC. Dengan cara ini, kami boleh meneruskan proses – pada asasnya selama-lamanya.”

Walaupun idea asasnya agak mudah, melaksanakannya pastinya tidak. Chun-Chia Chen, pengarang pertama penerbitan dalam Nature, mengimbas kembali: “Sudah pada tahun 2012, pasukan itu – ketika itu masih di Innsbruck – menyedari teknik yang membolehkan BEC dilindungi daripada cahaya penyejukan laser, membolehkan penyejukan laser buat kali pertama. sehingga ke keadaan merosot yang diperlukan untuk gelombang koheren. Walaupun ini merupakan langkah pertama yang kritikal ke arah cabaran yang telah lama dipegang untuk membina laser atom berterusan, ia juga jelas bahawa mesin khusus akan diperlukan untuk meneruskannya.

“Apabila berpindah ke Amsterdam pada 2013, kami bermula dengan lompatan kepercayaan, meminjam dana, bilik kosong dan pasukan yang dibiayai sepenuhnya oleh geran peribadi. Enam tahun kemudian, pada awal pagi Krismas 2019, percubaan akhirnya hampir berjaya. Kami mempunyai idea untuk menambah pancaran laser tambahan untuk menyelesaikan kesukaran teknikal yang terakhir, dan serta-merta setiap imej yang kami ambil menunjukkan BEC, BEC gelombang berterusan pertama.”

Setelah menangani masalah terbuka yang telah lama wujud untuk mencipta Kondensat Bose-Einstein yang berterusan, para penyelidik kini telah menetapkan fikiran mereka pada matlamat seterusnya: menggunakan laser untuk mencipta pancaran keluaran jirim yang stabil. Apabila laser mereka bukan sahaja boleh beroperasi selama-lamanya tetapi juga boleh menghasilkan rasuk yang stabil, tiada apa yang menghalang aplikasi teknikal lagi, dan laser jirim mungkin mula memainkan peranan yang sama penting dalam teknologi seperti laser biasa pada masa ini.

Rujukan: “Kondensasi Bose–Einstein berterusan” oleh Chun-Chia Chen, Rodrigo González Escudero, Jirí Minár, Benjamin Pasquiou, Shayne Bennetts dan Florian Schreck, 8 Jun 2022, alam semula jadi.
DOI: 10.1038/s41586-022-04731-z

We wish to thank the author of this article for this remarkable material

Gelombang Jirim Abadi: Ahli Fizik Membina Laser Atom Yang Boleh Kekal Selamanya


Visit our social media accounts along with other pages related to themhttps://paw6.info/related-pages/