Физика

Физики создают "вечные" волны материи

Группе физиков из Амстердамского университета впервые удалось создать непрерывные волны материи в конденсате Бозе-Эйнштейна. Это позволит атомному лазеру оставаться включенным неограниченное время. Этот прорыв может быть использован во многих приложениях квантового обнаружения.

Лазеры производят пространственно и временно когерентные световые волны, что означает, что они распространяются в идеальной синхронизации. Согласно дуализму волна-корпускула, лежащему в основе квантовой механики, частицы, включая атомы, можно рассматривать как волны. Это принцип работы "атомарного лазера", определяемого как когерентное состояние распространяющихся атомов. Это основано на конденсате Бозе-Эйнштейна - состоянии материи, в котором большое количество частиц занимает одно и то же квантовое состояние с более низкой энергией (основное состояние).

Самый первый атомный лазер был разработан в Массачусетском технологическом институте в 1996 году физиком Вольфгангом Кеттерле и его коллегами. С тех пор было продемонстрировано несколько конструкций атомных лазеров, в каждой из которых использовались различные методы соединения выходного сигнала. Эти настоящие "пучки материи" могут быть очень полезны в области голографии, поскольку они способны создавать голографические изображения с гораздо более высоким разрешением, чем при традиционном подходе. Они также могут быть использованы в атомной интерферометрии для потенциального обнаружения изменений в пространстве-времени с помощью гравитационных волн. Но разработанные до сих пор атомные лазеры способны работать только в течение очень короткого времени.

Устойчивый конденсат Бозе-Эйнштейна

Эти лазеры могут создавать импульсы волн материи, но после отправки такого импульса необходимо создать новый конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ), чтобы сгенерировать новый импульс. В прошлом физики сталкивались с той же проблемой с оптическими лазерами: сначала они были только импульсными, а затем стали непрерывными.

К сожалению, КБЭ очень хрупки. Они состоят из атомов, которые ведут себя как бозоны; все они могут находиться в совершенно одинаковом состоянии в одно и то же время: говорят, что они "конденсируются" в когерентную волну. Но для формирования когерентных волн материи КБЭ требуются чрезвычайно низкие температуры, примерно на одну миллионную долю градуса выше абсолютного нуля (-273,15 °C). "Давним ограничением для квантовых газовых устройств является необходимость выполнять этапы охлаждения в хронологическом порядке, что ограничивает эти устройства импульсной работой", — объясняют исследователи в журнале Nature.

Для того чтобы эти волны материи могли использоваться в практических целях, необходимо сделать их долговечными и, таким образом, создать непрерывный КБЭ. Ключом к этому является непрерывное усиление волны атомной материи при сохранении ее фазовой когерентности. Процесс усиления необходим для компенсации естественно возникающих атомных потерь; он также необходим для замены атомов, которые будут соединены из КБЭ для питания атомного лазера или атомного интерферометра, говорит команда. Поэтому необходимы два компонента: механизм усиления, который усиливает КБЭ, и непрерывная подача ультрахолодных атомов.

Профессор Флориан Шрек и его коллеги из Амстердамского университета приняли вызов: "В предыдущих экспериментах постепенное охлаждение атомов происходило в одном месте. В нашей установке мы решили распределить этапы охлаждения не во времени, а в пространстве", — объясняет физик.

На пути к устройствам с непрерывными когерентными волнами материи

Эксперимент проводился с использованием атомов стронция. Говоря конкретнее, ученые перемещали атомы через различные стадии охлаждения так, чтобы они достигли центра эксперимента, когда они были ультрахолодными. На этом этапе они используются для формирования когерентных волн материи в КБЭ. И пока они используются, новые атомы уже на пути к восстановлению КБЭ. Таким образом, волновой конденсат подается непрерывно и неограниченно.

Регулярно пополняя эту термальную ванну и добиваясь плотности фазового пространства в 1000 раз выше, чем в предыдущих работах, команде удалось сохранить условия конденсации. "Наш эксперимент является волновым аналогом оптического лазера непрерывной волны с полностью отражающими зеркалами", — объясняют они.

"Эта демонстрация принципа доказательности предоставляет новый, ранее отсутствовавший фрагмент атомной оптики, позволяющий создавать непрерывные когерентные устройства, работающие на волнах материи", — заключает команда.

Теперь, когда они решили проблему создания непрерывного конденсата Бозе-Эйнштейна, исследователи поставили перед собой новую цель: использовать лазер для создания стабильного выходного пучка материи. Когда их лазеры смогут работать вечно и создавать стабильные лучи, не останется никаких препятствий для инженерных применений, и атомные лазеры могут начать играть такую же важную роль в технологии, как и обычные лазеры.

Подписывайтесь на нас
Back to top button