Natuurkundigen zeggen dat ze een atomaire laser hebben gemaakt die ‘voor altijd’ kan werken

Een nieuwe doorbraak heeft natuurkundigen in staat gesteld een bundel atomen te creëren die zich op dezelfde manier gedraagt ​​als een laser, en in theorie “voor altijd” zou kunnen duren.

Dit zou uiteindelijk kunnen betekenen dat de technologie op weg is naar praktische toepassing, al zijn er nog steeds belangrijke beperkingen.

Dit is echter een enorme stap voorwaarts voor wat bekend staat als een “atomaire laser” – een enkele golfstraal gemaakt van atomen die ooit zou kunnen worden gebruikt om fundamentele fysieke constanten en micro-engineeringtechnologie te testen.

De maïslaser bestaat al een minuut. De eerste atomaire laser is gemaakt door een team van MIT Natuurkundigen in 1996. Het concept lijkt vrij eenvoudig: net zoals traditionele op licht gebaseerde lasers bestaan ​​uit fotonen die synchroon met hun golven bewegen, vereisen lasers gemaakt van atomen dat hun golfachtige aard wordt uitgelijnd voordat ze worden gemengd als een straal.

Zoals met veel dingen in de wetenschap, is het echter gemakkelijker om concepten te visualiseren dan waar te nemen. In de laseratoomwortel is a stand van zaken genaamd Bose-Einstein condensorof BEC.

BEC wordt gegenereerd door cloudkoeling van bosonen tot een fractie boven het absolute nulpunt. Bij zulke lage temperaturen zinken de atomen naar de laagst mogelijke energietoestand zonder volledig te stoppen.

Wanneer ze deze lagere energieën bereiken, kunnen de kwantumeigenschappen van de deeltjes elkaar niet storen; Ze komen dicht genoeg bij elkaar om een ​​soort van interferentie te veroorzaken, wat resulteert in een wolk van atomen met een hoge dichtheid die zich gedraagt ​​als een enkel “superatoom” of materiegolf.

BEC’s zijn echter een beetje een contradictie. Het is erg kwetsbaar. Zelfs licht kan BEC vernietigen. Aangezien de atomen in BEC zijn Gekoeld door optische laserbetekent dit meestal dat de aanwezigheid van BEC vervaagt.

De atomaire laser die wetenschappers tot nu toe hebben weten te bereiken, is gepulseerd, niet veelzijdig; Er wordt slechts één puls afgevuurd voordat een nieuwe BEC moet worden aangemaakt.

Om een ​​continu BEC te creëren, realiseerde een team van onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam in Nederland dat er iets moest veranderen.

“In eerdere experimenten werd de geleidelijke afkoeling van de atomen op één plek gedaan. In onze opstelling hebben we besloten om de afkoelingsstappen niet in de tijd, maar in de ruimte te verspreiden: we laten de atomen bewegen terwijl ze door opeenvolgende afkoelingsstappen gaan.” Natuurkundige Florian Schreck uitgelegd.

“Uiteindelijk komen de ultrakoude atomen in het hart van het experiment, waar ze kunnen worden gebruikt om coherente materiegolven in de BEC te vormen. Maar terwijl ze deze atomen gebruiken, zijn de nieuwe atomen al op weg om de BEC aan te vullen. In op deze manier kunnen we het proces gaande houden – in wezen voor altijd.”

Dit “hart van het experiment” is de val die de BEC beschermt tegen licht, een tank die tijdens het experiment continu kan worden bijgevuld.

Het beschermen van BEC tegen licht van koelende lasers, hoewel eenvoudig in theorie, was in de praktijk opnieuw moeilijker. Er waren niet alleen technische obstakels, maar ook bureaucratische en administratieve obstakels.

“Toen we in 2013 naar Amsterdam verhuisden, begonnen we met een sprong in het diepe, geleend geld, een lege kamer en een volledig gefinancierd team van persoonlijke beurzen,” Natuurkundige Chun Chia-chen zei:die de zoektocht leidde.

“Zes jaar later, in de vroege uurtjes van kerstochtend 2019, was het experiment eindelijk af. We hadden het idee om een ​​extra laserstraal toe te voegen om een ​​laatste technisch probleem op te lossen, en onmiddellijk toonde elke foto die we maakten BEC , de eerste continue golf BEC.”

Nu het eerste deel van de continue atoomlaser – het “continue atoom” -deel – is bereikt, zei het team dat de volgende stap het handhaven van een stabiele atomaire straal is. Ze kunnen dit bereiken door de atomen in een onbeperkte toestand te brengen, waardoor een diffuse materiegolf wordt geëxtraheerd.

Ze zeiden dat ze strontiumatomen gebruikten, een populaire keuze voor BEC’s, de mogelijkheid opent spannende kansen. Atomaire interferometrie met strontium-BEC’s kan bijvoorbeeld worden gebruikt om onderzoek te doen in relativiteits- en kwantummechanica, of om zwaartekrachtsgolven.

“Ons experiment is de materiaalgolfanaloog van een optische laser met continue golf met volledig reflecterende holtespiegels,” De onderzoekers schreven in hun paper:.

“Deze proof-of-principle-demonstratie biedt een nieuw, tot nu toe ontbrekend stuk atoomoptiek, waardoor de constructie van coherente continue golfapparaten mogelijk is.”

De zoekopdracht is gepubliceerd in de natuur temperen.