Sub-Doppler cooling in a compact conical hollow mirror integrated with anti-Helmholtz coils

Per comprendere il lavoro di questi ricercatori, bisogna innanzitutto apprezzare la delicata arte di rallentare gli atomi. Gli atomi sono i mattoni fondamentali della materia, ma quando sono caldi, si muovono vorticosamente a velocità incredibili, scontrandosi e disperdendosi in modo caotico. Per studiarli con estrema precisione o per utilizzarli in tecnologie avanzate come gli orologi atomici, gli scienziati devono prima raffreddarli a temperature vicine allo zero assoluto. Ciò viene solitamente fatto utilizzando la luce laser. Sebbene la luce di solito spinga le cose lontano, gli scienziati hanno capito come sintonizzare i laser in modo che gli atomi che si muovono verso un raggio assorbano fotoni e ricevano una leggera "spinta" che li rallenta. Disponendo i laser da tutte le direzioni, possono creare una trappola dove gli atomi sono tenuti in posizione e raffreddati fino a uno stato di quasi totale immobilità. Questa tecnica, nota come trappola magneto-ottica, è il punto di partenza standard per molti esperimenti quantistici moderni, ma l'attrezzatura richiesta è spesso ingombrante e compluta, necessitando di molteplici laser potenti e grandi bobine magnetiche per funzionare.

Un team di fisici dell'Università di Tokyo e di istituzioni collaboratrici ha ora dimostrato un modo per ottenere questo raffreddamento con molta meno attrezzatura ed energia. Hanno costruito un dispositivo compatto che utilizza un singolo raggio di luce laser e uno specchio dalla forma speciale per intrappolare e raffreddare atomi di rubidio. Invece della configurazione abituale che richiede sei separati raggi laser puntati verso gli atomi da diverse angolazioni, il loro design utilizza un cono cavo fatto di alluminio. Quando un singolo raggio laser viene sparato attraverso il centro di questo cono, le pareti interne riflettono la luce, dividendola efficacementamente in più raggi che circondano gli atomi. La forma del cono focalizza anche la luce verso il centro, rendendo la trappola molto più efficiente. Ciò permette ai ricercatori di catturare un gran numero di atomi utilizzando molta meno potenza laser rispetto ai metodi tradizionali.

I ricercatori hanno integrato questo specchio conico con le bobine magnetiche in un unico, piccolo modulo meccanico. Hanno sparato un raggio laser nel cono e hanno usato campi magnetici per tenere in posizione gli atomi di rubidio. Hanno scoperto che il numero di atomi che potevano intrappolare raggiungeva il picco quando l'intensità del laser era impostata su un livello specifico e relativamente basso di 6,5 milliwatt per centimetro quadrato. Questa è circa quattro volte meno potenza di quella tipicamente necessaria per le trappole standard che utilizzano sei raggi separati. In queste condizioni ottimali, sono riusciti ad intrappolare circa dieci milioni di atomi. Questa efficienza è un risultato diretto della geometria del cono, che concentra la luce esattamente dove si trovano gli atomi, invece di disperderla su un'area più ampia.

Una volta intrappolati gli atomi, il team voleva vedere quanto riuscisse a raffreddarli. Hanno applicato una tecnica chiamata raffreddamento a gradiente di polarizzazione, che utilizza le sottili proprietà della luce per rimuovere ancora più energia dagli atomi. I risultati hanno mostrato che gli atomi sono diventati incredibilmente freddi, raggiungendo temperature ben al di sotto del limite standard per questo tipo di raffreddamento. Tuttavia, il raffreddamento non era lo stesso in ogni direzione. Gli atomi si sono raffreddati fino a circa 13,4 microkelvin nella direzione del movimento laterale attraverso il cono, ma sono rimasti più caldi, a circa 106 microkelvin, nella direzione del movimento su e giù lungo l'asse del cono. Questa differenza accade perché il modello di luce creato dal cono è diverso in queste due direzioni; la luce è disposta in un modo che è molto efficace nel fermare il movimento laterale ma meno efficace nel fermare il movimento lungo la lunghezza del cono.

Il team ha anche misurato quanto fossero caldi gli atomi subito dopo essere stati intrappolati per la prima volta, prima che venisse applicato il passaggio di raffreddamento extra. Hanno scoperto che gli atomi che si muovevano lateralmente erano circa 1,2 millikelvin, ovvero circa sette volte più caldi di quanto si veda tipicamente nelle trappole standard a sei raggi con impostazioni simili. Ciò conferma le precedenti simulazioni al computer che suggerivano che la forma del cono crea un tipo specifico di forza che è meno efficiente nel raffreddare gli atomi che si muovono in cerchio attorno al centro del cono. Sebbene questa temperatura radiale sia più alta dell'ideale, la capacità di intrappolare un numero così grande di atomi con un dispositivo singolo, compatto e a risparmio energetico rappresenta un passo avanti significativo. I ricercatori hanno dimostrato che questo semplice sistema di specchi integrato può servire come fonte pratica ed efficace per atomi freddi, aprendo la strada a sensori quantistici e orologi atomici più piccoli e portatili che potrebbero essere utilizzati al di fuori dei grandi laboratori.