Ultra soğuk atom - Ultracold atom

Aşırı soğuk atomlar , 0 kelvin'e ( mutlak sıfır ) yakın sıcaklıklarda , tipik olarak birkaç on mikrokelvin (µK) altında tutulan atomlardır . Bu sıcaklıklarda atomun kuantum mekanik özellikleri önemli hale gelir.

Bu kadar düşük sıcaklıklara ulaşmak için, tipik olarak birkaç tekniğin bir kombinasyonu kullanılmalıdır. İlk olarak, atom, tuzak üzerinden ve daha önceden soğutulmuş soğutma lazer a manyeto-optik tuzak . Mümkün olan en düşük sıcaklığa ulaşmak için, daha fazla soğutma kullanılarak gerçekleştirilir buharlaşmalı soğutma bir bölgesindeki manyetik ya da optik tuzak . Fizikteki birkaç Nobel ödülü, tek tek atomların kuantum özelliklerini manipüle etme tekniklerinin geliştirilmesiyle ilgilidir (örneğin, 1995-1997, 2001, 2005, 2012, 2017).

Ultra soğuk atomlarla yapılan deneyler, kuantum faz geçişleri, Bose – Einstein yoğunlaşması (BEC) , bozonik süperakışkanlık, kuantum manyetizma , çok cisim spin dinamikleri, Efimov durumları , Bardeen – Cooper – Schrieffer (BCS) süperakışkanlığı ve BEC dahil olmak üzere çeşitli fenomenleri inceler. –BCS geçişi . Bu araştırma yönlerinden bazıları , üniter Fermi gazı ve Ising ve Hubbard modelleri de dahil olmak üzere diğer sistemlerin fiziğini incelemek için kuantum simülatörleri olarak ultra soğuk atom sistemlerini kullanır . Ultra soğuk atomlar, kuantum bilgisayarların gerçekleştirilmesi için de kullanılabilir.

Tarih

Ultra soğuk atom numuneleri tipik olarak seyreltik bir gazın bir lazer alanıyla etkileşimi yoluyla hazırlanır. Radyasyon basıncının kanıtı, atomlar üzerindeki ışığa bağlı kuvvet, 1901'de Lebedev ve Nichols ve Hull tarafından bağımsız olarak gösterildi. 1933'te Otto Frisch , sodyum lambasından üretilen ışıkla tek tek sodyum parçacıklarının sapmasını gösterdi.

Lazerin icadı, atomları ışıkla manipüle etmek için ek tekniklerin geliştirilmesini teşvik etti. Atomları soğutmak için lazer ışığının kullanılması ilk olarak 1975 yılında, Doppler soğutması olarak bilinen bir teknik olan bir atom üzerindeki radyasyon kuvvetini hızına bağlı hale getirmek için Doppler etkisinden yararlanılarak önerildi . Tuzaklanmış iyon örneklerini soğutmak için de benzer fikirler önerildi. Üç boyutta Doppler soğutması uygulamak, atomları tipik olarak birkaç cm / s olan hızlara yavaşlatacak ve optik melas olarak bilinen şeyi üretecektir .

Tipik olarak, bu deneyler için nötr atomların kaynağı, birkaç yüz Kelvin'lik sıcaklıklarda atom üreten termal fırınlardı. Bu fırın kaynaklarından gelen atomlar saniyede yüz metre hızla hareket ediyor. Doppler soğutmadaki en büyük teknik zorluklardan biri, bir atomun lazer ışığıyla etkileşime girebileceği süreyi arttırmaktı. Bu zorluk, bir Zeeman Slower'ın piyasaya sürülmesiyle aşıldı . Zeeman Slower, Doppler soğutmasında yer alan atomik geçişlerin göreceli enerji aralığını korumak için uzamsal olarak değişen bir manyetik alan kullanır. Bu, atomun lazer ışığıyla etkileşime girdiği süreyi artırır.

Raab ve diğerleri tarafından ilk manyeto-optik tuzağın (MOT) geliştirilmesi. 1987'de ultra soğuk atom örneklerinin yaratılmasına yönelik önemli bir adımdı. Bir MOT ile elde edilen tipik sıcaklıklar onlarca ila yüzlerce mikrokelvin'dir. Temelde, bir manyeto optik tuzak, lazerler yalnızca hıza bağlı bir kuvvet değil, aynı zamanda uzamsal olarak değişen bir kuvvet sağlayacak şekilde bir manyetik alan uygulayarak atomları uzayda hapseder. 1997 Nobel fizik ödülü, atomları lazer ışığı ile soğutmak ve yakalamak için yöntemler geliştirdiği için verildi ve Steven Chu , Claude Cohen-Tannoudji ve William D. Phillips tarafından paylaşıldı .

Bose – Einstein yoğunlaşması (BEC) olarak bilinen Satyendra Nath Bose ve Albert Einstein tarafından öngörülen yeni bir madde durumunu keşfetme çabasıyla daha düşük sıcaklıklara ulaşmak için deneysel çabalarda buharlaşmalı soğutma kullanıldı . Evaporatif soğutmada, bir numunedeki en sıcak atomların kaçmasına izin verilir, bu da numunenin ortalama sıcaklığını düşürür. 2001 Nobel verildi Eric A. Cornell , Wolfgang Ketterle ve Carl E. Wieman gerçekleştirilmesi için Bose-Einstein yoğunlaşması , alkali atomlu seyreltik gazlarda ve kondensatları özelliklerinin ilk temel çalışmaları için.

Başvurular

Ultra soğuk atomlar, benzersiz kuantum özellikleri ve bu tür sistemlerde bulunan büyük deneysel kontrol sayesinde çeşitli uygulamalara sahiptir. Örneğin, ultra soğuk atomlar, bu hedeflere ulaşmak için çok aktif deneysel araştırmalarla birlikte, kuantum hesaplama ve kuantum simülasyonu için bir platform olarak önerildi.

Kuantum simülasyonu, etkileşen kuantum sistemlerinin özelliklerine değerli bilgiler sağlayabileceği yoğun madde fiziği bağlamında büyük ilgi görüyor. Ultra soğuk atomlar, ilgili yoğunlaştırılmış madde sisteminin bir analogunu uygulamak için kullanılır ve bu daha sonra belirli uygulamada bulunan araçlar kullanılarak keşfedilebilir. Bu araçlar, gerçek yoğunlaştırılmış madde sistemindekilerden büyük ölçüde farklı olabileceğinden, başka türlü erişilemeyen miktarları deneysel olarak araştırabilir. Dahası, aşırı soğuk atomlar, doğada başka türlü gözlenemeyen egzotik madde durumlarının yaratılmasına bile izin verebilir.

Ultra soğuk atomlar, düşük termal gürültü ile sağlanan hassas ölçümler için deneylerde ve bazı durumlarda standart kuantum sınırını aşmak için kuantum mekaniğinden yararlanılarak da kullanılır. Potansiyel teknik uygulamalara ek olarak, bu tür hassas ölçümler mevcut fizik anlayışımızın testleri olarak hizmet edebilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Kaynaklar