Fizycy twierdzą, że stworzyli laser atomowy, który może działać „wiecznie”

Nowy przełom pozwolił fizykom stworzyć wiązkę atomów, która zachowuje się jak laser i teoretycznie może pozostać „na zawsze”. Może to ostatecznie oznaczać, że technologia jest na dobrej drodze do praktycznego zastosowania, choć nadal istnieją znaczne ograniczenia. Jest to jednak ogromny krok naprzód dla tak zwanego „lasera atomowego” – wiązki atomów przemieszczającej się jako pojedyncza fala, która pewnego dnia może zostać wykorzystana do testowania podstawowych stałych fizycznych oraz w inżynierii precyzyjnej.

 

Lasery atomowe istnieją od lat. Pierwszy laser atomowy został stworzony przez grupę fizyków z Massachusetts Institute of Technology w 1996 roku. Koncepcja brzmi dość prosto: tak jak tradycyjny laser oparty na świetle składa się z fotonów poruszających się synchronicznie z ich falami, tak laser złożony z atomów musiałby wyrównać swoją falową naturę przed przetasowaniem ich w wiązkę.

 

Jednak, jak wiele w nauce, łatwiej jest konceptualizować niż wdrażać. Sercem lasera atomowego jest stan skupienia zwany kondensatem Bosego-Einsteina lub BEC. BEC powstaje przez schłodzenie chmury bozonów do temperatury tylko ułamka powyżej zera absolutnego. W tak niskich temperaturach atomy schodzą do najniższego możliwego stanu energetycznego bez całkowitego zatrzymania. Kiedy osiągną te niskie energie, właściwości kwantowe cząstek nie mogą już ze sobą kolidować; poruszają się wystarczająco blisko siebie i wydają się nakładać na siebie, w wyniku czego powstaje chmura atomów o dużej gęstości, która zachowuje się jak jeden „superatom” lub fala materii.

 

Jednak BEC są swego rodzaju paradoksem. Są bardzo kruche; nawet światło może zniszczyć BEC. Biorąc pod uwagę, że atomy w BEC są chłodzone przez lasery optyczne, zwykle oznacza to, że istnienie BEC jest ulotne. Lasery atomowe, które naukowcy byli w stanie do tej pory osiągnąć, są impulsowe, a nie ciągłe, i wymagają tylko jednego impulsu do wyzwolenia przed wygenerowaniem nowego BEC. Aby stworzyć ciągły BEC, grupa naukowców z Uniwersytetu w Amsterdamie w Holandii zdała sobie sprawę, że coś musi się zmienić.

 

W poprzednich eksperymentach stopniowe chłodzenie atomów odbywało się w jednym miejscu. W nowym układzie uczeni próbowali rozłożyć etapy chłodzenia nie w czasie, ale w przestrzeni: poruszając atomami, gdy przechodzą przez kolejne etapy chłodzenia. W końcu ultrazimne atomy trafiają do centrum eksperymentu, gdzie można je wykorzystać do tworzenia spójnych fal materii w BEC. Ale podczas gdy te atomy są używane, nowe atomy są na drodze do uzupełnienia BEC. Więc można kontynuować proces — w zasadzie zawsze.

 

Teraz, gdy wdrożono pierwszą część ciągłego lasera atomowego — część z „ciągłym atomem” — następnym krokiem, jak twierdzi zespół, będzie praca nad utrzymaniem stabilnej wiązki atomów. Mogą to osiągnąć, ustawiając atomy w stanie nie przechwyconym, a tym samym wydobywając propagującą się falę materii.

 

Mówią, że skoro użyli atomów strontu, popularnego wyboru dla BEC, ta perspektywa otwiera ekscytujące możliwości. Na przykład interferometria atomowa wykorzystująca strontowe BEC może być wykorzystywana do prowadzenia badań w zakresie teorii względności i mechaniki kwantowej lub do wykrywania fal grawitacyjnych.

 

Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Nature.