Laserkølede atomgasser, gasser af atomer, der er kølet til temperaturer omkring absolut nul ved hjælp af laserteknologier, har vist sig at være alsidige fysiske platforme til at studere og kontrollere kvantefænomener. Når disse atomgasser interagerer med lys inde i et optisk hulrum (dvs. en struktur designet til at fælde og forbedre lys), kan de give anledning til effekter, der kan udnyttes til at realisere kvanteføling eller simulere komplekse kvantesystemer.
Ved anvendelse af atomgasser, der er belastet i optiske hulrum, har fysikere observeret forskellige spændende virkninger, herunder selvorganisationsfaseovergange, kendetegnet ved det spontane arrangement af gasatomerne i bestilte mønstre, lasing og bevarelse af kvantekohærens. Generelt observeres disse effekter imidlertid kun i korte tider, da nye atomer skal genindlæses i hulrummet for at de kan produceres igen.
Forskere ved Jila, et fælles forskningsinstitut for University of Colorado-Boulder og National Institute of Standards and Technology, demonstrerede for nylig kontinuerlig lasing, der varede timer ved hjælp af laser-cooled strontium-88 (88SR) atomer fyldt i en ring (dvs. cirkulær) optisk hulrum. Deres papir, der er offentliggjort i Naturfysikkunne åbne nye muligheder for udvikling af ultra-stille lasere samt kvantecomputere og sensorteknologier.
“Det originale mål med vores eksperiment er at opbygge en kontinuerlig superradiant laser, et værktøj, der ville give os mulighed for at foretage høje præcisionsfrekvensmålinger på korte tidsskalaer,” fortalte Dr. Vera M. Schäfer, første forfatter af Paper, til LektieForum. “Dette kan hjælpe os med at udforske forskellige regimer for at søge efter mørkt stof og anden ny fysik.”
Det langsigtede mål for forskere Schäfer, NIU, Thompson og deres kolleger er at realisere overordentlig avancerede og ultranarrow frekvenslinjebredde lasere, som kunne bruges til at søge efter mørkt stof eller at udvikle sofistikerede enheder, såsom atomur. Mens de arbejdede mod dette mål, afslørede de imidlertid en nysgerrig og uventet effekt, hvilket afspejler det faktum, at naturen spontant kan organisere sig, når energi pumpes ind i et system.
“Vi så laserlys komme ud af vores system, da vi bare forsøgte at indlæse en meget kold gas af atomer mellem de meget reflekterende spejle, der danner vores laserhulrum,” forklarede prof. James K. Thompson. “For at være klar er vores laserhulrum som en klokke, men for lys i stedet for lyd. Det kan lide at ringe ved en bestemt frekvens.
“Atomerne lavede denne ‘klokke’ ring og afgav lys. Da vi undersøgte, hvor dette lys kom fra, fandt vi masser af mærkelig opførsel, chef blandt dem, at ændring af resonansfrekvensen for klokken næppe ændrede frekvensen af lyset, det udsendte.”
Efter deres uventede observationer forsøgte forskerne at forstå den underliggende fysik bedre. Dette kunne igen informere den fremtidige udvikling af atomur og gravitationsbølgedetektorer.
“For at forstå dette, må jeg fortælle dig en historie om atomur og gravitationsbølgedetektorer,” sagde Thompson. “Det viser sig, at både atomur og gravitationsbølgedetektorer er afhængige af at bygge typer af optiske hulrum med meget, meget, meget (sagde jeg meget nok?) Stabile frekvenser.
“Men når man bygger disse genstande, bemærker man, at det ser ud som om disse ‘klokker’ vrikker og vrider rundt i frekvens. Hvorfor? Fordi de er lavet af reelle atomer ved endelige temperaturer, der gennemgår ækvivalenten med tilfældig jiggling omkring kaldet Brownian Motion.”
For at omgå denne begrænsning af både atomur og gravitationsbølgedetektorer forsøger Thompson og hans laboratorium i Jila at bygge en superradiant laser. Hyppigheden af denne laser bør ikke afhænge af hyppigheden af det optiske hulrum, men i stedet af en meget smal frekvens atomovergang i atomstrontium.
“For at opbygge dette skal vi kontinuerligt anvende andre normale lasere, der afkøler strontiumatomerne ned til 10 millioner dem af en grad over absolut nul,” sagde Thompson.
Senior ph.d. -studerende Zhijing Niu tilføjede, “Vi har fundet ud af, hvordan man laser cool og indlæser vores atomer kontinuerligt snarere end forskudt i tiden som næsten alle andre eksperimenter på vores felt gør (dvs. cool og indlæser nogle atomer, kort gør noget videnskab, smider dem væk, gentag.).”
Inden de endda kom til at udnytte den meget smalle atomovergang under deres eksperimenter, observerede forskerne, at laserlys kom ud af det optiske hulrum og fandt, at det vedvarede i timevis. Denne fascinerende observation var den vigtigste inspiration bag deres nylige arbejde, da de var ivrige efter at forstå dets underliggende grunde.
“Dette var et ganske specielt eksperiment, fordi du normalt prøver at nå et specifikt mål og løse problemer undervejs,” sagde Schäfer. “Vi så noget helt uventet og havde oprindeligt ingen idé om, hvad der forårsagede det. Så vi udelukkede forskellige muligheder trin for trin, indtil vi endelig begyndte at forstå, hvad der foregik og fandt ud af, at uden at vi selv prøvede, stabiliserer denne lasingmekanisme den effektive frekvens af vores hulrum.”
I sidste ende indså forskerne, at lasing, de observerede, skyldtes absorptionen af en foton og en efterfølgende stimuleret emission, hvilket producerede en anden momentumtilstand. Med andre ord fandt de det 88SR -atomer fangede en foton, hvilket fik det til at rekyle og derefter kaste en foton ind i hulrummet og producere den kontinuerlige lasing, de observerede.
“Dette ser ud til at være forstærkningsmekanismen, der leveres af naturen, når vi lægger energi i systemet via vores laser-kølige bjælker,” sagde NIU.
“Imidlertid forårsager denne forstærkningsmekanisme også atomopvarmning, som derefter forårsager en sjov feedback-loop, der holder den effektive optiske hulrumsfrekvens til en fast værdi, selv når vi prøvede vores dragteste at ændre den,” tilføjede Thompson.
Den nylige undersøgelse udført af denne forskningsgruppe giver ny indsigt i lettemerinteraktioner, som kan informere den fremtidige udvikling af superradiant lasere. Navnlig forekommer meget af fysikken, de observerede, kun kontinuerligt, i modsætning til cykliske eksperimenter.
“Det mest interessante lasingregime vises kun, når man starter i en støjende tilstand og derefter langsomt skifter hulrumsparametre til et mindre stabilt regime, der kun opretholdes af den kontinuerlige lasing,” forklarede Schäfer. “Så at opbygge et kontinuerligt operationelt koldt atomeksperiment gjorde det muligt for os at se nogle nye effekter.”
Inspireret af det nylige arbejde på området, inklusive denne nylige undersøgelse, flytter mange forskere, der er interesseret i atom- og laserfysik, nu deres fokus fra cykliske til kontinuerlige eksperimenter. De resulterende kontinuerlige driftsplatforme kunne bane vejen for introduktionen af nye højtpresterende teknologier, herunder kvanteberegningssystemer og Ultranarrow Line Width -lasere.
“I fremtiden planlægger vi virkelig at bruge den smalle linjebreddeovergang i strontium til at opbygge utroligt enkeltfarvede lasere til at udforske verden,” tilføjede Thompson. “Undervejs ser vi allerede masser af interessante ting som at beskytte kvantesensorer kaldet stofbølger og optiske ure mod støj ved hjælp af kollektive effekter eller ved hjælp af disse samme systemer til at simulere BCS -superledere. Vi vil bestemt holde meget travlt!”