Ein neuer Durchbruch hat es Physikern ermöglicht, einen Atomstrahl zu erzeugen, der sich wie ein Laser verhält und theoretisch „ewig“ halten könnte.
Damit könnte die Technologie endlich auf dem Weg in die praktische Anwendung sein, auch wenn noch erhebliche Einschränkungen bestehen.
Dies ist jedoch ein großer Fortschritt für einen sogenannten „Atomlaser“ – einen Einzelwellenstrahl aus Atomen, der eines Tages zum Testen grundlegender physikalischer Konstanten und mikrotechnischer Technologien verwendet werden könnte.
Der Maislaser gibt es seit einer Minute. Der erste Atomlaser wurde von einem Team des MIT entwickelt Physiker 1996. Das Konzept scheint ziemlich einfach: So wie herkömmliche lichtbasierte Laser aus Photonen bestehen, die sich synchron mit ihren Wellen bewegen, müssen Laser aus Atomen ihre wellenartige Natur ausrichten, bevor sie als Strahl gemischt werden.
Wie bei vielen Dingen in der Wissenschaft ist es jedoch einfacher, Konzepte zu visualisieren als wahrzunehmen. In der Laseratomwurzel befindet sich a Aggregatszustand genannt Bose-Einstein-Kondensatoroder BEC.
BEC wird durch Wolkenkühlung aus erzeugt Bosonen nur einen Bruchteil über dem absoluten Nullpunkt. Bei solch niedrigen Temperaturen sinken die Atome auf den niedrigstmöglichen Energiezustand, ohne vollständig anzuhalten.
Wenn sie diese niedrigeren Energien erreichen, können sich die Quanteneigenschaften der Teilchen nicht gegenseitig stören; Sie kommen einander nahe genug, um eine Art Interferenz zu verursachen, was zu einer Atomwolke mit hoher Dichte führt, die sich wie ein einzelnes „Superatom“ oder eine Materiewelle verhält.
Allerdings sind BECs ein kleiner Widerspruch. Es ist sehr zerbrechlich. Auch Licht kann BEC zerstören. Da die Atome in BEC sind Gekühlt durch optischen Laserbedeutet dies normalerweise, dass das Vorhandensein von BEC verschwindet.
Der Atomlaser, der den Wissenschaftlern bisher gelungen ist, war gepulst und nicht vielseitig; Es wird nur ein Impuls abgefeuert, bevor ein neues BEC erzeugt werden muss.
Um ein kontinuierliches BEC zu schaffen, erkannte ein Forscherteam der Universität Amsterdam in den Niederlanden, dass etwas geändert werden musste.
„In früheren Experimenten wurde die allmähliche Abkühlung der Atome an einer Stelle durchgeführt. In unserem Aufbau haben wir uns entschieden, die Abkühlungsschritte nicht über die Zeit, sondern im Raum fortzupflanzen: Wir bringen die Atome dazu, sich zu bewegen, während sie aufeinanderfolgende Abkühlungsschritte durchlaufen.“ Physiker Florian Schreck erklärt.
„Schließlich gelangen die ultrakalten Atome zum Kern des Experiments, wo sie zur Bildung kohärenter Materiewellen im BEC verwendet werden können. Aber während sie diese Atome verwenden, sind die neuen Atome bereits auf dem Weg, das BEC wieder aufzufüllen Auf diese Weise können wir den Prozess am Laufen halten – im Wesentlichen für immer.“
Dieses „Herzstück des Experiments“ ist die Falle, die das BEC vor Licht schützt, ein Tank, der während der gesamten Dauer des Experiments kontinuierlich nachgefüllt werden kann.
Der Schutz von BEC vor Licht von Kühllasern war jedoch in der Theorie zwar einfach, in der Praxis jedoch wiederum schwieriger. Es gab nicht nur technische Hürden, sondern auch bürokratische und administrative Hürden.
„Als wir 2013 nach Amsterdam zogen, begannen wir mit einem Vertrauensvorschuss, geliehenem Geld, einem leeren Zimmer und einem vollständig finanzierten Team aus persönlichen Stipendien.“ Der Physiker Chun Chia-chen sagte:der die Suche leitete.
„Sechs Jahre später, in den frühen Morgenstunden des Weihnachtsmorgens 2019, war das Experiment endlich erfolgreich: Wir hatten die Idee, einen zusätzlichen Laserstrahl hinzuzufügen, um ein letztes technisches Problem zu lösen, und sofort zeigte jedes Bild, das wir machten, BEC , das erste Dauerstrich-BEC.“
Nachdem der erste Teil des kontinuierlichen Atomlasers – der „kontinuierliche Atom“-Teil – fertiggestellt wurde, sagte das Team, der nächste Schritt sei die Aufrechterhaltung eines stabilen Atomstrahls. Sie können dies erreichen, indem sie die Atome in einen uneingeschränkten Zustand bringen und so eine diffuse Materiewelle extrahieren.
Sie sagten, dass sie Strontiumatome verwendet haben, eine beliebte Wahl für BECs, die Möglichkeit eröffnet aufregende Möglichkeiten. Die Atominterferometrie mit Strontium-BECs kann beispielsweise verwendet werden, um Untersuchungen in der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik vorzunehmen oder zu detektieren Gravitationswellen.
„Unser Experiment ist das Materialwellenanalog eines optischen Dauerstrichlasers mit vollständig reflektierenden Resonatorspiegeln“, Das schreiben die Forscher in ihrer Arbeit.
„Dieser Nachweis des Prinzips liefert ein neues, bisher fehlendes Stück Atomoptik, das den Bau von kohärenten Dauerstrichgeräten ermöglicht.“
Die Suche wurde veröffentlicht in Natur temperieren.