Lazer teknolojileri kullanılarak mutlak sıfır çevresindeki sıcaklıklara soğutulmuş atom gazları olan lazer soğutmalı atomik gazlar, kuantum fenomenlerini incelemek ve kontrol etmek için çok yönlü fiziksel platformlar olduğunu kanıtlamıştır. Bu atomik gazlar optik bir boşluk içinde ışıkla etkileşime girdiğinde (yani ışığı yakalamak ve geliştirmek için tasarlanmış bir yapı), kuantum algılamayı gerçekleştirmek veya karmaşık kuantum sistemlerini simüle etmek için kaldırılabilecek etkilere yol açabilirler.
Optik boşluklara yüklenen atomik gazları kullanarak fizikçiler, gaz atomlarının sıralı desenlere spontan düzenlenmesi, lazing ve kuantum tutarlılığının korunması ile karakterize edilen kendi kendine organizasyon faz geçişleri de dahil olmak üzere çeşitli ilgi çekici etkiler gözlemlemiştir. Bununla birlikte, genel olarak, bu etkiler sadece kısa süreler için gözlenir, çünkü yeni atomların boşlukta yeniden üretilmesi gerektiği için tekrar üretilmeleri gerekir.
Colorado-Boulder Üniversitesi Ortak Araştırma Enstitüsü ve Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü Jila’daki araştırmacılar, son zamanlarda lazer soğutmalı strontium-88 ((88SR) bir halkaya (yani dairesel) optik boşluğa yüklenen atomlar. Makaleleri, yayınlandı Doğa fiziğiultra-şapkalı lazerlerin yanı sıra kuantum bilgisayar ve algılama teknolojilerinin geliştirilmesi için yeni olasılıklar açabilir.
Makalenin ilk yazarı Dr. Vera M. Schäfer, “Deneyimizin orijinal amacı, kısa zaman aralıklarında yüksek hassasiyetli frekans ölçümleri yapmamıza izin verecek bir araç olan sürekli bir süper lazer oluşturmaktır.” Dedi. “Bu, karanlık madde ve diğer yeni fizik aramak için farklı rejimleri keşfetmemize yardımcı olabilir.”
Araştırmacılar Schäfer, NIU, Thompson ve meslektaşlarının uzun vadeli amacı, karanlık maddeyi aramak veya atomik saatler gibi sofistike cihazlar geliştirmek için kullanılabilecek son derece ileri ve ultraarrow frekans hat genişliği lazerlerini gerçekleştirmektir. Bununla birlikte, bu hedefe doğru çalışırken, enerji bir sisteme pompalandığında doğanın kendisini kendiliğinden organize edebileceğini yansıtan meraklı ve beklenmedik bir etki ortaya çıkardılar.
Prof. James K. Thompson, “Lazer boşluğumuzu oluşturan oldukça yansıtıcı aynalar arasında çok soğuk bir atom gazı yüklemeye çalışırken sistemimizden çıkan lazer ışığının ortaya çıktığını gördük.” “Açık olmak gerekirse, lazer boşluğumuz bir çan gibidir, ancak ses yerine ışık için. Belirli bir frekansta çalmayı sever.
“Atomlar bu ‘çan’ yüzüğünü yapıyor ve ışık veriyorlardı. Bu ışığın nereden geldiğini araştırdığımızda, aralarında çanın rezonans frekansını değiştirmenin yaydığı ışığın frekansını zar zor değiştiren birçok garip davranış bulduk.”
Beklenmedik gözlemlerinden sonra, araştırmacılar altta yatan fiziği daha iyi anlamak için yola çıktılar. Bu da atomik saatlerin ve yerçekimi dalga dedektörlerinin gelecekteki gelişimini bilgilendirebilir.
“Bunu anlamak için size atom saatleri ve yerçekimi dalga dedektörleri hakkında bir hikaye anlatmalıyım,” dedi Thompson. “Hem atomik saat hem de yerçekimi dalga dedektörlerinin, çok, çok, çok (yeterince söyledim mi?) İstikrarlı frekanslarla optik boşluk türleri oluşturmaya güvendiği ortaya çıkıyor.
“Yine de, bu nesneleri oluşturduğunda, bu ‘çanların’ sıklıkta kıpır kıpır ve etrafta dolaşıyor gibi göründüğünü fark eder. Neden? Çünkü Brown hareket adı verilen rastgele jiggling eşdeğeri olan sonlu sıcaklıklarda gerçek atomlardan yapılmıştır.”
Hem atomik saatlerin hem de yerçekimi dalga dedektörlerinin bu sınırlamasını atlatmak için Thompson ve Jila’daki laboratuvarı süper bir lazer inşa etmeye çalışıyor. Bu lazerin frekansı optik boşluğun frekansına değil, bunun yerine atom stronsiyumdaki çok dar bir frekans atomik geçişine bağlı olmalıdır.
Thompson, “Bunu inşa etmek için, stronsiyum atomlarını mutlak sıfırın üzerinde 10 milyona kadar soğutan diğer normal lazerleri sürekli olarak uygulamalıyız.” Dedi.
Kıdemli doktora öğrencisi Zhijing Niu, “Alanımızdaki diğer tüm deneyler gibi zaman içinde sendelemek yerine atomlarımızı nasıl soğutacağımızı ve sürekli olarak yükleyeceğimizi anladık (yani, bazı atomları soğutun ve yükleyin, kısaca bilim yapın, atın, tekrarlayın.).”
Deneyleri sırasında çok dar atomik geçişten yararlanmadan önce, araştırmacılar lazer ışığının optik boşluktan çıktığını ve saatlerce devam ettiğini buldular. Bu büyüleyici gözlem, altta yatan nedenlerini anlamaya hevesli oldukları için son çalışmalarının arkasındaki temel ilham kaynağıydı.
Schäfer, “Bu oldukça özel bir deneydi çünkü normalde belirli bir hedefe ulaşmaya ve yol boyunca sorunları çözmeye çalışıyorsunuz” dedi. “Tamamen beklenmedik bir şey gördük ve başlangıçta neyin sebep olduğu hakkında hiçbir fikrim yoktu. Bu yüzden, nihayet neler olduğunu anlamaya başlayana kadar farklı olasılıkları adım adım hariç tuttuk ve biz bile denemeden bile, bu lazing mekanizması boşluğumuzun etkili frekansını stabilize ediyor.”
Nihayetinde, araştırmacılar gözlemledikleri lazingin bir fotonun emiliminden ve daha sonra uyarılmış bir emisyondan kaynaklandığını ve farklı bir momentum durumu ürettiğini fark ettiler. Başka bir deyişle, bunu buldular 88SR atomları bir foton yakaladı, geri tepmesine ve daha sonra bir fotonun boşluğa atmasına neden oldu ve gözlemledikleri sürekli lazlemeyi üretti.
Niu, “Bu, lazer soğutma kirişlerimizle sisteme enerji koyduğumuzda doğa tarafından sağlanan kazanç mekanizması gibi görünüyor.” Dedi.
Thompson, “Ancak, bu kazanç mekanizması da atom ısıtmasına neden oluyor, bu da daha sonra, onu değiştirmek için en dar değerlerimizi denediğimizde bile, etkili optik boşluk frekansını sabit bir değere tutan komik bir geri bildirim döngüsüne neden oluyor.”
Bu araştırma grubu tarafından yürütülen son çalışma, Superradiant lazerlerin gelecekteki gelişimini bilgilendirebilecek ışık maddesi etkileşimleri hakkında yeni bir fikir sunmaktadır. Özellikle, gözlemledikleri fiziğin çoğu, döngüsel deneylerin aksine sadece sürekli olarak gerçekleşir.
Schäfer, “En ilginç lazing rejimi sadece daha gürültülü bir durumdan başlarken ve daha sonra boşluk parametrelerini yavaşça sürekli lazing tarafından desteklenen daha az kararlı bir rejime değiştirirken ortaya çıkıyor.” Diyerek şöyle devam etti: “Yani, sürekli olarak çalışan bir soğuk atom deneyi inşa etmek, bazı yeni etkiler görmemizi sağladı.”
Bu son çalışma da dahil olmak üzere alandaki son çalışmalardan esinlenerek, atomik ve lazer fiziği ile ilgilenen birçok araştırmacı, odaklarını döngüselden sürekli deneylere kaydırıyor. Ortaya çıkan sürekli operasyon platformları, kuantum bilgi işlem sistemleri ve ultromarrow linewidth lazerler de dahil olmak üzere yeni yüksek performanslı teknolojilerin tanıtılmasının yolunu açabilir.
Thompson, “Gelecekte, dünyayı keşfetmek için inanılmaz derecede tek renkli lazerler oluşturmak için strontiumdaki dar çizgi genişliği geçişini gerçekten kullanmayı planlıyoruz.” “Yol boyunca, toplu efektleri kullanarak madde dalgaları ve optik saatler denilen kuantum sensörlerini korumak veya BCS süper iletkenleri simüle etmek için aynı sistemleri kullanmak gibi birçok ilginç şey görüyoruz. Kesinlikle çok meşgul olacağız!”
