Физики говорят, что построили атомный лазер, который может работать «вечно»

Новый прорыв позволил физикам создать пучок атомов, который ведет себя так же, как лазер, и который теоретически может работать «вечно».

Это может наконец означать, что технология находится на стадии своего развития. путь к практическому применению, хотя все еще существуют значительные ограничения.

Тем не менее, это огромный шаг вперед для так называемого «атомного лазера» — луча, состоящего из атомов, движущихся как единая волна, которую можно день можно использовать для проверки фундаментальных физических констант и инженерных точных технологий.

Атомные лазеры существуют всего минуту. Первый атомный лазер был создан группой физиков Массачусетского технологического института еще в 1996 году. Концепция звучит довольно просто: так же, как традиционный лазер на основе света состоит из фотонов, движущихся синхронно с их волнами, лазеру, состоящему из атомов, потребуется собственная волна. -подобно природе, чтобы выровняться перед тем, как рассыпаться как бревно.

Однако, как и многие вещи в науке, это легче осмыслить, чем реализовать. В основе атомного лазера лежит состояние вещества, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна, или БЭК.

БЭК создается путем охлаждения облака бозонов до доли выше абсолютного нуля. При таких низких температурах атомы погружаются в самое низкое из возможных энергетическое состояние, не останавливаясь полностью.

Когда они достигают этих низких энергий, квантовые свойства частиц больше не могут мешать друг другу; они движутся достаточно близко друг к другу, чтобы как бы перекрываться, в результате чего образуется облако атомов высокой плотности, которое ведет себя как один «суператом» или волна материи.

Однако БЭК — это своего рода парадокс. Они очень хрупкие; даже свет может разрушить БЭК. Учитывая, что атомы в БЭК охлаждаются с помощью оптических лазеров, это обычно означает, что существование БЭК мимолетно.

Атомные лазеры, которые ученым удалось создать на сегодняшний день, были импульсного, а не непрерывного типа. ; и включают запуск всего одного импульса, прежде чем потребуется генерировать новый BEC.

Чтобы создать непрерывный BEC, группа исследователей из Амстердамского университета в Нидерландах поняла, что необходимо что-то изменить.

«В предыдущих экспериментах постепенное охлаждение атомов все делалось в одном месте. В нашей установке мы решили разнести этапы охлаждения не во времени, а в пространстве: мы заставляем атомы двигаться по мере их продвижения через последовательные этапы охлаждения», — объяснил физик Флориан Шрек.

«В конце концов, ультрахолодные атомы попадают в центр эксперимента, где их можно использовать для формирования когерентных волн материи в БЭК. атомы используются, новые атомы уже находятся на пути к пополнению БЭК. Таким образом, мы можем поддерживать этот процесс — практически вечно».

Это «сердце эксперимента» — ловушка, которая держит БЭК защищенным от света резервуаром, который можно постоянно пополнять на протяжении всего эксперимента.

Защитить Однако получить БЭК из света, создаваемого охлаждающим лазером, хотя и просто в теории, на практике снова оказалось немного сложнее. Были не только технические трудности, но и бюрократические и административные.

«Переезжая в Амстердам в 2013 году, мы начали с уверенности, заемных средств, пустого помещения и команды. полностью финансируется за счет личных грантов», — сказал физик Чун-Чиа Чен, руководивший исследованием.

«Шесть лет спустя, в ранние часы рождественского утра 2019 года, эксперимент, наконец, был на грани начала работы. У нас возникла идея добавить дополнительный лазерный луч, чтобы решить последнюю техническую проблему, и мгновенно каждое изображение, которое мы сделали, показывало БЭК, первый непрерывный БЭК».

Теперь, когда первая часть непрерывного БЭК атомный лазер был реализован — часть «непрерывного атома» — следующим шагом, по словам команды, является работа над поддержанием стабильного атомного пучка. Они могли бы достичь этого, переводя атомы в незахваченное состояние, тем самым извлекая распространяющуюся волну материи.

Поскольку они использовали атомы стронция, популярный выбор для БЭК, перспектива, по их словам, открывает захватывающие возможности. Атомная интерферометрия с использованием БЭК стронция, например, может быть использована для проведения исследований теории относительности и квантовой механики или для обнаружения гравитационных волн.

«Наш эксперимент представляет собой аналог волны материи непрерывного оптического лазера с полностью зеркала с отражающей полостью», — пишут исследователи в своей статье.

«Эта экспериментальная демонстрация обеспечивает новую, до сих пор отсутствовавшую часть атомной оптики, позволяющую создавать непрерывные устройства с когерентными волнами материи».

Исследование было завершено. опубликовано в Nature.