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

Om het werk van deze onderzoekers te begrijpen, moet men eerst de delicate kunst van het vertragen van atomen waarderen. Atomen zijn de fundamentele bouwstenen van materie, maar wanneer ze heet zijn, bewegen ze met ongelooflijke snelheden rond, botsend en verstrooiend op chaotische wijze. Om ze met extreme precisie te bestuderen of om ze te gebruiken voor geavanceerde technologieën zoals atoomklokken, moeten wetenschappers ze eerst afkoelen tot temperaturen nabij het absolute nulpunt. Dit wordt doorgaans gedaan met laserlicht. Hoewel licht normaal gesproken dingen wegduwt, hebben wetenschappers ontdekt hoe ze lasers kunnen afstemmen zodat atomen die naar een straal toe bewegen fotonen absorberen en een zachte "kick" ontvangen die hen vertraagt. Door lasers vanuit alle richtingen te plaatsen, kunnen ze een val creëren waarin atomen op hun plaats worden gehouden en worden afgekoeld tot een staat van bijna bewegingsloosheid. Deze techniek, bekend als een magneto-optische val, is het standaard startpunt voor veel moderne kwantumexperimenten, maar de benodigde apparatuur is vaak volumineus en complex, waarbij meerdere krachtige lasers en grote magnetische spoelen nodig zijn om te functioneren.

Een team natuurkundigen aan de Universiteit van Tokio en samenwerkende instellingen heeft nu een manier gedemonstreerd om deze koeling te bereiken met veel minder apparatuur en energie. Ze bouwden een compact apparaat dat een enkele laserstraal en een speciaal gevormde spiegel gebruikt om rubidiumatomen te vangen en te koelen. In plaats van de gebruikelijke opstelling die zes afzonderlijke laserstralen vereist die vanuit verschillende hoeken op de atomen gericht zijn, gebruikt hun ontwerp een holle kegel gemaakt van aluminium. Wanneer een enkele laserstraal door het midden van deze kegel wordt geschoten, reflecteren de binnenwanden het licht terug, waardoor het effectief wordt gesplitst in meerdere stralen die de atomen omringen. De vorm van de kegel focust het licht ook naar het centrum, waardoor de val veel efficiënter wordt. Dit stelt de onderzoekers in staat om een groot aantal atomen te vangen met aanzienlijk minder laservermogen dan traditionele methoden.

De onderzoekers integreerden deze kegelvormige spiegel met magnetische spoelen in één enkele, kleine mechanische eenheid. Ze schoten een laserstraal in de kegel en gebruikten magnetische velden om de rubidiumatomen op hun plaats te houden. Ze ontdekten dat het aantal atomen dat ze konden vangen zijn piek bereikte wanneer de laserintensiteit werd ingesteld op een specifiek, relatief laag niveau van 6,5 milliwatt per vierkante centimeter. Dit is ongeveer vier keer minder vermogen dan wat normaal gesproken nodig is voor standaardvallen die zes afzonderlijke stralen gebruiken. Onder deze optimale omstandigheden slaagden ze erin om ongeveer tien miljoen atomen te vangen. Deze efficiëntie is een direct resultaat van de geometrie van de kegel, die het licht precies daar concentreert waar de atomen zich bevinden, in plaats van het over een groter gebied te verspreiden.

Zodra de atomen waren gevangen, wilde het team zien hoe koud ze ze konden krijgen. Ze pasten een techniek toe genaamd polarisatiegradiëntkoeling, die de subtiele eigenschappen van licht gebruikt om nog meer energie uit de atomen te verwijderen. De resultaten lieten zien dat de atomen ongelooflijk koud werden, met temperaturen ver onder de standaardlimiet voor dit type koeling. De koeling was echter niet hetzelfde in elke richting. De atomen koelden af tot ongeveer 13,4 microkelvin in de richting waarin ze zijwaarts over de kegel bewogen, maar ze bleven warmer, op ongeveer 106 microkelvin, in de richting waarin ze op en neer bewogen langs de as van de kegel. Dit verschil komt doordat het lichtpatroon dat door de kegel wordt gecreëerd in deze twee richtingen verschilt; het licht is zo gerangschikt dat het zeer effectief is in het stoppen van zijwaartse beweging, maar minder effectief in het stoppen van beweging langs de lengte van de kegel.

Het team mat ook hoe heet de atomen waren vlak nadat ze voor het eerst waren gevangen, voordat de extra koelstap werd toegepast. Ze vonden dat de atomen die zijwaarts bewogen ongeveer 1,2 millikelvin waren, wat ongeveer zeven keer heter is dan wat gewoonlijk wordt gezien in standaard zesstraalvallen met vergelijkbare instellingen. Dit bevestigt eerdere computersimulaties die suggereerden dat de vorm van de kegel een specifiek type kracht creëert die minder efficiënt is in het koelen van atomen die in cirkels rond het centrum van de kegel bewegen. Hoewel deze radiale temperatuur hoger is dan ideaal, vertegenwoordigt het vermogen om een dergelijk groot aantal atomen te vangen met een enkel, compact en energiezuinig apparaat een belangrijke stap voorwaarts. De onderzoekers hebben bewezen dat dit eenvoudige, geïntegreerde spiegelsysteem een praktische en effectieve bron voor koude atomen kan dienen, wat de weg vrijmaakt voor kleinere, meer draagbare kwantumsensoren en atoomklokken die buiten grote laboratoria gebruikt kunnen worden.