Sub-Doppler cooling in a compact conical hollow mirror integrated with anti-Helmholtz coils
Os autores demonstram um esquema de resfriamento sub-Doppler compacto e eficiente em termos de potência para átomos de Rb usando um espelho cônico oco de feixe único integrado com bobinas anti-Helmholtz, que aprisiona aproximadamente átomos e alcança temperaturas anisotrópicas de 13,4 K radialmente e 106 K axialmente via resfriamento por gradiente de polarização.
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Para compreender o trabalho destes investigadores, é necessário primeiro apreciar a arte delicada de abrandar átomos. Os átomos são os blocos fundamentais da matéria, mas quando estão quentes, movem-se a velocidades incríveis, colidindo e dispersando-se de formas caóticas. Para os estudar com extrema precisão ou para os utilizar em tecnologias avançadas como relógios atómicos, os cientistas devem primeiro arrefecê-los para temperaturas próximas do zero absoluto. Isto é normalmente feito utilizando luz laser. Embora a luz costume empurrar as coisas para longe, os cientistas descobriram como sintonizar os lasers para que os átomos que se movem em direção a um feixe absorvam fotões e recebam um suave "impulso" que os abranda. Ao organizar lasers de todas as direções, conseguem criar uma armadilha onde os átomos são mantidos no lugar e arrefecidos para um estado de quase imobilidade. Esta técnica, conhecida como armadilha magneto-óptica, é o ponto de partida padrão para muitos experimentos quânticos modernos, mas o equipamento necessário é frequentemente volumoso e complexo, necessitando de múltiplos lasers potentes e grandes bobinas magnéticas para funcionar.
Uma equipa de físicos da Universidade de Tóquio e de instituições colaboradoras demonstrou agora uma forma de alcançar este arrefecimento com muito menos equipamento e energia. Eles construíram um dispositivo compacto que utiliza um único feixe de luz laser e um espelho de formato especial para aprisionar e arrefecer átomos de rubídio. Em vez da configuração habitual que requer seis feixes de laser separados apontados para os átomos de diferentes ângulos, o seu design utiliza um cone oco feito de alumínio. Quando um único feixe de laser é disparado pelo centro deste cone, as paredes internas refletem a luz, dividindo-a efetivamente em múltiplos feixes que rodeiam os átomos. A forma do cone também foca a luz em direção ao centro, tornando a armadilha muito mais eficiente. Isto permite aos investigadores capturar um grande número de átomos utilizando significativamente menos potência de laser do que os métodos tradicionais.
Os investigadores integraram este espelho cónico com bobinas magnéticas num único e pequeno módulo mecânico. Eles dispararam um feixe de laser para dentro do cone e utilizaram campos magnéticos para manter os átomos de rubídio no lugar. Constataram que o número de átomos que conseguiam aprisionar atingiu o seu pico quando a intensidade do laser foi definida para um nível específico e relativamente baixo de 6,5 miliwatts por centímetro quadrado. Isto é aproximadamente quatro vezes menos potência do que a necessária tipicamente para armadilhas padrão que utilizam seis feixes separados. Sob estas condições ideais, eles aprisionaram com sucesso cerca de dez milhões de átomos. Esta eficiência é um resultado direto da geometria do cone, que concentra a luz exatamente onde os átomos estão, em vez de a dispersar por uma área maior.
Assim que os átomos foram aprisionados, a equipa quis ver até quão frios os conseguia tornar. Aplicaram uma técnica chamada arrefecimento por gradiente de polarização, que utiliza as propriedades subtis da luz para remover ainda mais energia dos átomos. Os resultados mostraram que os átomos ficaram incrivelmente frios, atingindo temperaturas bem abaixo do limite padrão para este tipo de arrefecimento. No entanto, o arrefecimento não foi o mesmo em todas as direções. Os átomos arrefeceram para cerca de 13,4 microkelvins na direção que se movia lateralmente através do cone, mas permaneceram mais quentes, a cerca de 106 microkelvins, na direção que se movia para cima e para baixo ao longo do eixo do cone. Esta diferença ocorre porque o padrão de luz criado pelo cone é diferente nestas duas direções; a luz está arranjada de uma forma que é muito eficaz a travar o movimento lateral, mas menos eficaz a travar o movimento ao longo do comprimento do cone.
A equipa também mediu quão quentes estavam os átomos logo após terem sido inicialmente aprisionados, antes de ser aplicada a etapa de arrefecimento extra. Descobriram que os átomos que se moviam lateralmente estavam a cerca de 1,2 milikelvin, o que é aproximadamente sete vezes mais quente do que o tipicamente visto em armadilhas de seis feixes padrão com configurações semelhantes. Isto confirma as simulações computacionais anteriores que sugeriam que a forma do cone cria um tipo específico de força que é menos eficiente a arrefecer átomos que se movem em círculos em torno do centro do cone. Embora esta temperatura radial seja superior ao ideal, a capacidade de aprisionar tal grande número de átomos com um dispositivo único, compacto e eficiente em termos de energia representa um passo significativo à frente. Os investigadores provaram que este sistema de espelho simples e integrado pode servir como uma fonte prática e eficaz de átomos frios, abrindo caminho para sensores quânticos e relógios atómicos mais pequenos e portáteis que poderiam ser utilizados fora de grandes laboratórios.
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