Οι οπτικές μολάσσες, οι μαγνητοοπτικές παγίδες, και άλλες σύγχρονες εξελίξεις στην παγίδευση ατόμων.- 3ο μέρος

Οι οπτικές μολάσσες, οι μαγνητοοπτικές παγίδες, και άλλες σύγχρονες εξελίξεις στην παγίδευση ατόμων.Παγίδευση ουδετέρων σωματιδίων με Laser

Το 1985 οι Ashkin, Leo Holberg, John Bjorkholm, Alex Cable και εγώ στα AT&T Bell Labs καταφέραμε να ψύξουμε άτομα Νατρίου σε θερμοκρασία 240 χιλιοστών του βαθμού Kelvin. Επειδή το πεδίο του φωτός δρα σαν μια δύναμη ιξώδους, ονομάσαμε τον συνδυασμό των δεσμών laser που χρησιμοποιήσαμε για να δημιουργήσουμε την επιβραδύνουσα δύναμη των ατόμων "οπτικές μολάσσες". Αν και δεν πρόκειται για μια παγίδα τα άτομα περιορίστηκαν στο χώρο για χρόνους της τάξης των 0,5sec, έως ότου προοδευτικά διέφυγαν έξω από τις οπτικές δέσμες.

Σχήμα 1

Οι "οπτικές μολάσσες" μας επέτρεψαν να λύσουμε τα τρία σπουδαιότερα προβλήματα που συναντούσαμε στην προσπάθειά μας να κατασκευάσουμε μια ατομική παγίδα με laser. Πρώτα, με ψύξη των ατόμων σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, μπορούσαμε να ελαττώσουμε τις τυχαίες θερμικές κινήσεις των ατόμων και να κάνουμε πιο εύκολη την παγίδευσή τους. Δεύτερον, μπορούσαμε εύκολα να φορτώσουμε τα άτομα μέσα στην παγίδα. Απλά εστιάζοντας την δέσμη που προκαλούσε την παγίδευση στο κέντρο της οπτικής μολάσσας, τα άτομα θα οδηγούνταν βαθμιαία εκεί καθώς τριγύριζαν στο της δέσμης που τα παγίδευε. Τρίτον, εναλλάσσοντας το ρόλο μεταξύ των δεσμών που παγιδεύουν και αυτών που ψύχουν μπορούσαμε να ελαττώσουμε τα θερμικά αποτελέσματα του φωτός που παγίδευε. Μετά από ένα χρόνο αφότου είχαμε τελειοποιήσει τις οπτικές μολάσσες, τα άτομα μπορούσαν τελικά να παγιδευτούν με χρήση φωτός.

Ακόμη και με την τεχνική γεμίσματος της παγίδας που εφαρμόσαμε στην πρώτη μας παγίδα, χρειαστήκαμε μια παγίδα με μεγαλύτερο όγκο. Μια παγίδα που θα χρησιμοποιούσε τη σκεδάζουσα δύναμη θα απαιτούσε πολύ μικρότερη ένταση φωτός, το οποίο σήμαινε ότι έπρεπε να αντιμετωπίσουμε τους περιορισμούς που επιβάλλονταν αποό το Οπτικό Θεώρημα Earnshaw. Η σημαντική ιδέα πώς να σχεδιάσουμε μια τέτοια παγίδα ήρθε από τον David Prichard του Μ.Ι.Τ και τον Carl E. Wieman του πανεπιστημίου του Colorado και των συνεργατών τους. Αυτοί υπέδειξαν ότι αν ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία χωρικά μεταβαλλόμενα, εφαρμόζονταν στα άτομα, η σκεδάζουσα δύναμη από τη δέσμη laser δεν θα ήταν αναγκαστικά ανάλογη προς την ένταση του φωτός.

Αυτή η υπόδειξη οδήγησε τον Jean Dalibard της Ecole Normale Superieure στο Παρίσι να προτείνει μια μαγνητοοπτική παγίδα, η οποία χρησιμοποιούσε ένα ασθενές μαγνητικό πεδίο και κυκλικά πολωμένο φως. Το 1987 η ομάδα του Prichard και η δική μας στα AT&T Bell Labs συνεργάστηκαν για να φτιάξουν μια τέτοια παγίδα. Τρία χρόνια αργότερα η ομάδα του Wieman προχώρησε και απέδειξε ότι η τεχνική αυτήμπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να παγιδεύει άτομα μέσα σε γυάλινες κυψέλες χρησιμοποιώντας ακριβά laser-διόδους. Η μέθοδός τους εξαφάνισε την ανάγκη για πρόψυξη που ήταν απαραίτητη στα πρώτα μας πειράματα παγίδευσης. Το γεγονός ότι μπορούσαν να παγιδευτούν άτομα μέσα σε σφραγισμένες γυάλινες κυψέλες, σήμαινε επίσης ότι μπορούσαμε να διαχειριστούμε σπάνια είδη ατόμων, όπως ραδιοϊσότοπα, με οπτικές τεχνικές. Η μαγνητοοπτική παγίδα είναι η πιο δημοφιλής οπτική παγίδα σήμερα.

Εν τω μεταξύ οι ερευνητές έκαναν ραγδαία πρόοδο στην ψύξη με laser. Ο Phillips και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν ότι κάτω από ορισμένες συνθήκες, οι οπτικές μολάσσες μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να ψύξουν άτομα σε θερμοκρασίες πολύ χαμηλότερες από το όριο που πρόβλεπε η υπάρχουσα θεωρία. Αυτή η ανακάλυψη ώθησε τον Dalibard και τον Claude Cohen-Tannoudji από το College De France και την Ecole Normale καθώς και τη δική μας ομάδα στο Stanford να ξανακατασκευάσουμε μια καινούργια θεωρία για την ψύξη με laser βασισμένη σε ένα περίπλοκο αλλά όμορφο μηχανισμό μεταξύ των ατόμων και των αλληλεπιδράσεών τους με το ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο του φωτός. Συγχρόνως τα άτομα μπορούν να ψυχθούν σε θερμοκρασία με μέση ταχύτητα που αντιστοιχεί σε τεις και μισή ανακρούσεις φωτονίου. Προκειμένου για άτομα Καισίου αυτό σημαίνει μια θερμοκρασία χαμηλότερη από τρεις βαθμούς μικροκέλβιν.
Πηγαίνοντας πέρα από τις οπτικές μολάσες, οι Cohen-Tannoudji, Alain Aspect, Ennio Arimondo, Robin Kaiser και Nathalie Van-steenkiste όλοι τους στην Ecole Normale, επινόησαν ένα ιδιοφυές σχήμα ικανό να ψύχει άτομα ηλίου κάτω από την ταχύτητα ανάκρουσης που προκαλείται από ένα μεμονωμένο φωτόνιο που σκεδάζεται. Τα άτομα ηλίου έχουν ψυχθεί σε δυο μικροκέλβιν κατά μήκος κάποιας διεύθυνσης και η έρευνα συνεχίζεται για να επεκταθεί αυτή η τεχνική σε δύο και τρεις διαστάσεις.

Αυτή η μέθοδος ψύξης συλλαμβάνει ένα άτομο με μια καλά καθορισμένη ταχύτητα κατά παρόμοιο τρόπο με την τεχνική που χρησιμοποιούσαμε εμείς στην πρώτη μας οπτική παγίδα. Καθώς το άτομο σκεδάζει φωτόνια, η ταχύτητά του μεταβάλλεται κατά τυχαίο τρόπο. Το Γαλλικό πείραμα δημιουργεί συνθήκες που επιτρέπουν την ανάκρουση ενός ατόμου σε μια ιδιαίτερη κβαντική κατάσταση, που είναι ένας συνδυασμός δύο καταστάσεων με δύο διαφορετικές ταχύτητες κοντά στο μηδέν. Άπαξ και βρεθεί στην κατάσταση αυτή, η πιθανότητα να σκεδάσει περισσότερα φωτόνια μειώνεται πάρα πολύ, πράγμα που σημαίνει ότι νέα φωτόνια δεν μπορούν να σκεδαστούν και να αυξήσουν την ταχύτητα. Αν το άτομο δεν βρεθεί σ' αυτή την ιδιαίτερη κβαντική κατάσταση, συνεχίζει να σκεδάζει φωτόνια και έχει και άλλες ευκαιρίες να βρεθεί στην επιθυμητή κατάσταση πολύ χαμηλής ταχύτητας.
Με τον τρόπο αυτό τα άτομα ψύχονται αφήνοντάς τα να βαδίζουν τυχαία σε μια κβαντική κατάσταση με "παγίδευση της ταχύτητάς τους". Επιπρόσθετα με την ψύξη και την παγίδευση των ατόμων οι ερευνητές έχουν επιδείξει αρκετούς ατομικούς φακούς, καθρέφτες και περιθλαστικά διαφράγματα για την διαχείριση ατόμων. Έχουν επίσης επινοήσει συσκευές που δεν έχουν αντίστοιχο στην συμβατική οπτική. Οι ερευνητές στο Stanford και στο πανεπιστήμιο της Bonn έχουν κατασκευάσει "ατομικά χωνιά", που μετασχηματίζουν μια συλλογή θερμών ατόμων σε ένα ελεγχόμενο ρεύμα ψυχρών ατόμων. Η ομάδα του Stanford έχει επίσης κατασκευάσει ένα "ατομικό τραμπολίνο" στο οποίο τα άτομα αναπηδούν σ' ένα πέτασμα φωτός που εκπορεύεται από μια γυάλινη επιφάνεια. Με μια καμπυλωμένη γυάλινη επιφάνεια, μπορεί να κατασκευαστεί μια ατομική παγίδα βασισμένη στη βαρύτητα και το φως.