Κάνοντας πιο ψυχρά τα άτομα

Από την ιστοσελίδα του PhysicsWeb, 3 Μαρτίου 2004

Φυσικοί στη Γερμανία έχουν αναπτύξει μια νέα τεχνική για να ψύξουν τα άτομα με λέιζερ. Η μέθοδος εφαρμόζεται σε ανεξάρτητα άτομα που παγιδεύονται σε μια οπτική κοιλότητα και είναι πέντε φορές γρηγορότερη από τις συμβατικές τεχνικές ψύξης με λέιζερ. Επιπλέον, αντίθετα από τις υπάρχουσες τεχνικές, διατηρεί την κβαντική κατάσταση των ατόμων. Η νέα μέθοδος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να ψύξει τα μόρια και άλλα συστήματα που δεν μπορούν να ψυχτούν με τις συμβατικές μεθόδους λέιζερ, και θα μπορούσε επίσης να έχει εφαρμογές στην κβαντική πληροφορία (P Maunz et al. 2004 Nature 428 50).

Η συμβατική ψύξη με λέιζερ των ατόμων στηρίζεται στα φωτόνια που διεγείρουν τα ηλεκτρόνια μέσα στο άτομο. Όταν το ηλεκτρόνιο επιστρέφει στη θεμελιώδη κατάσταση, το άτομο εκπέμπει αυθόρμητα ένα φωτόνιο. Καθώς εκπέμπεται αυτό το φωτόνιο προς μία τυχαία κατεύθυνση, η επίδραση της διαδικασίας απορρόφησης και εκπομπής προκαλεί μια μείωση της ορμής του ατόμου - που σημαίνει ότι το "ψύχει" - στην κατεύθυνση της ακτίνας λέιζερ. Αυτή η τυχαία εκπομπή αφαιρεί θερμότητα από το σύστημα και έτσι ψύχει τα άτομα.

Η τεχνική ψύξης οπτικής κοιλότητας, που αναπτύχθηκε από το Gerhard Rempe και συνεργάτες του στο Ινστιτούτο Max Planck για την Κβαντική Οπτική στο Garching, είναι διαφορετική. Κατ' αρχάς, αποφεύγει την αυθόρμητη εκπομπή. Δεύτερον, τα άτομα και τα φωτόνια στην κοιλότητα συνδέονται έντονα.

Ο Rempe και οι συνεργάτες του αρχίζουν με την παγίδευση απλών ατόμων ρουβιδίου σε μια μικροσκοπική οπτική κοιλότητα μεταξύ δύο κατόπτρων. Έπειτα, χρησιμοποιούν ένα λέιζερ για να διεγείρουν την κοιλότητα, κι όχι το άτομο. Τα φωτόνια από το λέιζερ ξεφεύγουν έπειτα από την κοιλότητα με ελαφρώς περισσότερη ενέργεια από ότι είχαν πριν εισέλθουν μέσα σε αυτήν.

Η ισχυρή σύζευξη μεταξύ του ατόμου και της κοιλότητας σημαίνει ότι η πρόσθετη ενέργεια που μεταφέρεται από τα σκεδαζόμενα φωτόνια του λέιζερ προέρχεται από την κινητική ενέργεια του ατόμου, που αναγκάζεται να επιβραδυνθεί ή ισοδύναμα να γίνει πιο ψυχρό.

Επιπλέον, η διέγερση της κοιλότητας - κι όχι του ατόμου - εξασφαλίζει ότι η εσωτερική κβαντική κατάσταση του ατόμου δεν αλλάζει. Έτσι κάποιος θα μπορούσε να επεξεργαστεί κβαντικές πληροφορίες που θα ήταν αποθηκευμένες στα άτομα.

"Αυτή η μέθοδος ψύξης μας επιτρέπει να εντοπίσουμε και να κρατήσουμε ένα άτομο στην κοιλότητα για μεγάλο χρονικό διάστημα", λέει το μέλος της ομάδας Pepijn Pinkse. "Θα μας βοηθήσει να διεξαγάγουμε λεπτομερείς μελέτες, που πριν δεν μπορούσαμε".

Η αέναη κίνηση των ατόμων

Στην θερμοκρασία δωματίου τα άτομα και τα μόρια, που περιέχει ο αέρας, κινούνται προς όλες τις διευθύνσεις με ταχύτητες που πλησιάζουν τα 4.000 km/h. Είναι δύσκολο λοιπόν να μελετάς αυτά τα άτομα και μόρια επειδή εξαφανίζονται πάρα πολύ γρήγορα από τον χώρο που παρατηρούνται.

Χαμηλώνοντας τη θερμοκρασία μπορεί κάποιος να μειώσει τη ταχύτητα τους, αλλά το πρόβλημα είναι όταν τα αέρια ψύχονται χαμηλά. Αυτά κανονικά πρώτα συμπυκνώνονται σε υγρή κατάσταση μετά γίνονται στερεά.

Στα υγρά και στερεά σώματα, η μελέτη γίνεται πιο δύσκολη από το γεγονός ότι τα απλά άτομα και μόρια έρχονται πολύ κοντά το ένα με το άλλο. Εάν, πάντως, η διαδικασία λάβει χώρα σε ένα κενό η πυκνότητα μπορεί να διατηρηθεί αρκετά χαμηλά για να αποφευχθεί η συμπύκνωση και η πήξη. Αλλά ακόμη και σε χαμηλές θερμοκρασίες των -270°C περιλαμβάνονται ταχύτητες περίπου 400 km/h. Μόνο όταν προσεγγίσει κάποιος το απόλυτο μηδέν (-273°C) η ταχύτητα πέφτει δραματικά. Όταν η θερμοκρασία είναι ένα εκατομμυριοστό της κλίμακας Κέλβιν (1 µK) ελεύθερα άτομα υδρογόνου, για παράδειγμα, μετακινούνται λιγότερο από 1 km/h (= 25 cm/s).