ใหม่ระบายความร้อนสำหรับควอนตัม

วิธีแรกที่เป็นสากลสำหรับการทำความเย็นด้วยเลเซอร์ของอะตอมที่พัฒนาขึ้น

การทำให้อะตอมเย็นลงระหว่างกระจกส่องแสงสองดวง© MPI สำหรับ Quantum Optics
อ่านออกเสียง

นักวิจัยที่สถาบัน Max Planck สำหรับทัศนศาสตร์ควอนตัมใน Garching ใกล้มิวนิคได้ตระหนักถึงวิธีการใหม่สำหรับการเลือกแบบการเบรกและการวางตำแหน่งอะตอมของแต่ละบุคคลอย่างแม่นยำ คุณสมบัติพิเศษของวิธีการทำความเย็นนี้คือมันทำงานเป็นครั้งแรกในอนุภาคอื่น ๆ เช่นโมเลกุลที่ไม่สามารถหยุดด้วยการระบายความร้อนด้วยเลเซอร์แบบธรรมดา

การค้นพบของนักวิจัย Garching ว่าอะตอมสามารถทำให้เย็นลงได้โดยการมีเพศสัมพันธ์กับตัวสะท้อนแสงเป็นขั้นตอนสำคัญในการพัฒนากลไกการระบายความร้อนด้วยเลเซอร์ที่ใช้กับสากลสำหรับเทคโนโลยีควอนตัมและได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature

วิธีการทำความเย็นก่อนหน้าทั้งหมดขึ้นอยู่กับความจริงที่ว่าอนุภาคแสงทิศทางของลำแสงเลเซอร์โฟตอนถูกดูดซับโดยอะตอมแล้วปล่อยออกมาในทิศทางที่ต่างกัน การหดตัวของโฟตอนที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนทิศทางส่งผลให้เกิดแรงในการเบรกที่จะกำจัดความร้อนออกจากแก๊ส พลังงานที่ถูกสกัดจะถูกนำไปใช้โดยโฟตอนที่ปล่อยออกมา: อะตอมจะปล่อยโฟตอนที่มีพลังงานเป็นลักษณะเฉพาะ เพื่อให้เกิดความเย็นโฟตอนจะปล่อยโฟตอน "สีแดง detuned" โดยใช้พลังงานน้อยลงในอะตอม เพื่อให้อะตอมสามารถปล่อยโฟตอนที่มีพลังงานเป็นลักษณะเฉพาะได้พลังงานที่แตกต่างจะต้องได้รับการชดเชยโดยการลดพลังงานจลน์ - อะตอมจึงช้าลง (และเย็นกว่า)

กระตุ้นการระบายความร้อนบล็อก

อย่างไรก็ตามปัญหาที่สำคัญของวิธีการทำความเย็นเหล่านี้คืออะตอมจะเข้าสู่ช่วงเวลาสั้น ๆ ในระหว่างกระบวนการกระเจิง หากการแผ่รังสีของโฟตอนไม่กลับสู่สถานะเริ่มต้นดั้งเดิมกระบวนการทำความเย็นจะหยุดนิ่ง ดังนั้นวิธีการทำความเย็นเหล่านี้จะใช้ได้เฉพาะกับสายพันธุ์อะตอมที่เลือกซึ่งมีสถานะขั้นสุดท้ายที่เป็นไปได้น้อย วิธีการเหล่านี้ไม่สามารถนำไปใช้กับระบบที่ซับซ้อนมากขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งในโมเลกุลเนื่องจากสิ่งเหล่านี้มักจะมีหลายหลากสถานะเพราะอะตอมในโมเลกุลสามารถเคลื่อนที่ต่อกันได้

"เทคนิคกระจก" กับการปิดล้อม

ในกระบวนการทำความเย็นแบบใหม่อนุภาคที่จะทำให้เย็นลงนั้นไม่จำเป็นต้องตื่นเต้น แต่การทำงานร่วมกันของอนุภาคกับสนามแสงซึ่งแผ่จากภายนอกไปเป็นเครื่องสะท้อนของกระจกสะท้อนแสงสูงสองตัวนั้นใช้สำหรับระบายความร้อน หากอะตอมเคลื่อนที่ระหว่างกระจกสิ่งนี้จะนำไปสู่ความจริงที่ว่าแสงที่ปล่อยออกมาจากเครื่องสะท้อนนั้นมีพลังมากกว่าแสงเลเซอร์ที่ถูกฉายรังสีลงบนเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ความแตกต่างของพลังงานมาจากพลังงานจลน์ของอะตอมซึ่งจะช้าลง เนื่องจากอะตอมไม่จำเป็นต้องตื่นเต้นในกระบวนการทำความเย็นนี้กระบวนการนี้ในหลักการยังเหมาะสำหรับอนุภาคที่ไม่สามารถระบายความร้อนด้วยวิธีการระบายความร้อนด้วยเลเซอร์แบบธรรมดา แสดงผล

กลไกที่ส่งพลังงานจลน์ของอะตอมไปยังโฟตอนที่ปล่อยออกมาจากเครื่องสะท้อนสามารถอธิบายได้ดังต่อไปนี้: หากลำแสงเลเซอร์ถูกฉายรังสีจากภายนอกบนแกนของเครื่องแลกเปลี่ยนประจุจะกลายเป็นหลายแสน สะท้อนให้เห็นครั้งเดียวระหว่างกระจกไปมา คล้ายกับสตริงสั่นสนามแสง "ยืน" ถูกสร้างขึ้นหากลำแสงมีความยาวคลื่นหรือสีที่เฉพาะเจาะจงมากซึ่งถูกกำหนดโดยระยะห่างระหว่างกระจก ที่นี่พุ่มไม้และโหนดที่มีความเข้มแสงสูงและต่ำ

หากมีอะตอมในสนามแสงสิ่งนี้จะเปลี่ยนความเร็วของแสงภายในเครื่อง แม้ว่าเอฟเฟกต์จะมีขนาดเล็กมาก แต่ก็มีการปรับปรุงด้วยการสะท้อนหลายอย่าง จากการทดลองเราสามารถบรรลุได้ว่าแสงของตัวสะท้อนนั้นสั้นลงและทำให้ความยาวคลื่น "ที่เหมาะสม" ของแสงนั้นสั้นลง เอฟเฟกต์นี้ขึ้นอยู่กับว่าอะตอมอยู่บนท้องหรือปม หากอะตอมอยู่ในช่วงของความเข้มแสงที่หายไปจะไม่มีผลกับสนามแสง อย่างไรก็ตามหากอะตอมเคลื่อนเข้าสู่บริเวณที่มีความเข้มของแสงสูงความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์ที่ฉายรังสีจะไม่เข้ากับตัวสะท้อนแสงอีกต่อไป

ลำแสงเลเซอร์จึงถูกสะท้อนที่กระจกสะท้อนแสงเพื่อไม่ให้มีแสงเข้ามาในตัวสะท้อน ในทางกลับกันแสงที่ถูกเก็บไว้ในตัวสะท้อนแสงไม่สามารถทิ้งไว้ได้ทันทีเนื่องจากมีการสะท้อนแสงสูงของกระจก ต้องปรับให้เข้ากับสภาพที่เปลี่ยนแปลง ความยาวคลื่นของแสงที่เก็บไว้จึงสั้นลง: มันจะกลายเป็น "detuned สีน้ำเงิน" และทำให้พลังงานสูงขึ้น "พลังงานพิเศษ" เมื่อเปรียบเทียบกับแสงตกกระทบมาจากพลังงานจลน์ของอะตอมซึ่งช้าลง เนื่องจากอะตอมไม่จำเป็นต้องไปถึงสถานะที่ตื่นเต้นในกระบวนการนี้กลไกการทำความเย็นของตัวสะท้อนความร้อนนี้จึงเหมาะสำหรับอนุภาคที่กลไกการระบายความร้อนด้วยเลเซอร์แบบเดิมไม่สามารถใช้งานได้เช่นสำหรับโมเลกุล le

"พลังการเบรก" มากกว่าห้าเท่า

ในการทดลองของพวกเขานักวิจัย Garching ได้เก็บอะตอมไว้ด้วยความช่วยเหลือของเลเซอร์อีกอันที่อยู่ตรงกลางของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ด้วยวิธีการระบายความร้อนแบบใหม่พวกเขาสามารถที่จะ จำกัด วงอะตอมที่ดีกว่าที่รูของคลื่นแสงแบบออปติคัลและขยายเวลาการเก็บของอะตอมในเรโซเนเตอร์อย่างมีนัยสำคัญ เป็นที่น่าสนใจที่จะทราบว่าวิธีการทำความเย็นนั้นใช้แสงน้อยมากในการทดลองโดยเฉลี่ยเพียงแค่หนึ่งร้อยของโฟตอนอยู่ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการระบายความร้อนด้วยเลเซอร์แบบธรรมดาสำหรับอะตอมนักวิทยาศาสตร์ก็สามารถแสดงให้เห็นว่ากระบวนการทำความเย็นแบบใหม่นั้นได้รับแรงเบรกอย่างน้อยห้าเท่า

ผลลัพธ์ของนักวิจัย Garching ก็น่าสนใจในมุมมองของแอปพลิเคชันที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง: ในการทดลองในอนาคตมันอาจเป็นไปได้ที่จะใช้อะตอมเดี่ยวที่มีการแปลที่ดีในเครื่องสะท้อนแสงเพื่อสร้างควอนตัมที่เก็บไว้ในสถานะภายในของอะตอม ถ่ายโอนข้อมูลไปยังโฟตอนส่งไปยังระบบที่สองสร้างขึ้นในลักษณะเดียวกันและจัดเก็บข้อมูลที่นั่นอีกในอะตอมอื่น ระบบจึงเป็นส่วนติดต่อควอนตัมในอุดมคติระหว่างควอนตัมบิตที่บินได้และบิตควอนตัมและบล็อกการสร้างพื้นฐานสำหรับเครือข่ายควอนตัมในอนาคตของระบบเรโซแนนเตอร์อะตอมแบบกระจาย

(MPG, 05.03.2004 - NPO)