Ultrakalte Atome liefern coole Forschung

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Anonim

Für Charles Fancher ist die Aussage, dass Physik cool ist, eine Untertreibung. "Ich war von dem Moment an süchtig, als ich meinen ersten Physikkurs in meinem zweiten Jahr der High School belegte", sagte er.

Heute, Fancher Forschung als Ph.D. Student in Physik bei William & Mary ist nicht nur cool; es ist extrem kalt. Fancher ist Teil eines Teams von meist graduierten Studenten unter der Leitung von Associate Professor für Physik Seth Aubin, die ultrakalte Atome seit Jahren zu einem heissen Thema unter Physikern machen. Ultrakalte Atome - oder Atome, die auf etwa 1 Mikrokelvin abgekühlt sind, nur ein bisschen wärmer als der absolute Nullpunkt - sind essentiell für den Fortschritt der Technologie rund um Atomuhren, Interferometer oder Trägheitsnavigationssysteme.

"Wenn man etwas genau messen will, ist das am besten mit ultrakalten Atomen", sagt Fancher. "Sie sind nützlich für eine Reihe von wissenschaftlichen Experimenten, könnten aber auch die Genauigkeit von GPS-Satelliten erheblich verbessern."

Sie sind ein seltener - und neuer - Fund, den Aubin und sein Team 2012 erreicht haben. Aber sie abzukühlen ist nur der Anfang. Jetzt entwickeln Fancher und seine Kollegen eine Möglichkeit, Atome einzufangen und zu manipulieren, wodurch mehr Kontrolle über sie möglich wird und möglicherweise die Tür für weiter fortgeschrittene atomare Präzision geöffnet wird.

Fanchers laufende Forschung zu diesem Thema wurde kürzlich mit dem Northrop Grumman Corporation Award für Exzellenz in Naturwissenschaften und Computational Sciences ausgezeichnet. Seine Arbeiten werden auf dem 15. jährlichen Graduate Research Symposium am 19. März bei einem Mittagessen gefeiert.

Der Durchbruch gelang nach Jahren der Vorbereitung und des Experimentierens mit einem Atomchip von der Größe eines Saltinecrackers und einer Kraft, die durch eine Theorie namens AC-Zeeman-Effekt erzeugt wurde. Der Prozess beginnt mit der Laserkühlung, bei der mehrere hundert Millionen Rubidium-87-Atome sechs Lasern mit einer speziellen Frequenz ausgesetzt werden, sodass die Atome 27 Nanosekunden später das Licht absorbieren und emittieren können.

"Die Atome absorbieren etwas mit weniger Energie, und jedes Mal, wenn sie das tun, geben sie mehr Energie aus als sie absorbieren", sagte Fancher. "Das verlangsamt sie letztendlich."

Es kühlt sie auch auf eine Temperatur von etwa 100 Mikrokelvin ab, an welchem ​​Punkt sie auf den Atomchip übertragen werden, um den Rest des Weges zu verdampfen und abzukühlen. Dadurch bleiben letztlich nur einige zehntausend Atome eingeschlossen. "Es funktioniert wie eine Tasse Kaffee", sagte Fancher. "Wenn du es ablegst und den Deckel entfernst, werden die heißesten Wassermoleküle entweichen und der Rest deiner Tasse wird kälter. Wir machen diesen Prozess immer wieder, bis nur noch die kältesten Atome übrig sind."

Hier kommt der AC-Zeeman-Effekt ins Spiel. Der Effekt theoretisiert, dass Sie, wenn Sie ein oszillierendes Magnetfeld an Atome anlegen, das durch einen Wechselstrom erzeugt wird (oder eine elektrische Ladung, die die Richtung periodisch umkehrt), ihre Energieniveaus ändern können. Es ist eine Möglichkeit, Atome räumlich zu manipulieren und Spinzustände zu eliminieren oder zu separieren, um neue Experimente zu entwickeln, die Technologien wie das Trägheitsnavigationssystem, das Position, Orientierung und Geschwindigkeit misst, vorhersagen können, wo sich ein bewegtes Objekt befindet die Zukunft.

Während die Theorie in der Vergangenheit mit ultrakalten Atomen getestet worden war, war die Mikrowellenleistung aus makroskopischen Mikrowellenkavitäten zu schwach, um die Atome an einer Stelle zu begrenzen. In Kombination mit dem Atom-Chip, der die Atome nur 100 Mikrometer von den Kabeln des Chips entfernt hält, war der AC-Zeeman-Effekt erfolgreich beim Drücken und Ziehen der Atome an einen gewünschten Ort.

"Mikrowellen, die von einem Atomchip erzeugt werden, sollen Kräfte ermöglichen, die stärker sind als die Schwerkraft und das System kleiner, leichter und energiesparender machen", sagte Fancher.

Fancher plant, diese Arbeit in der Zukunft zu erweitern, indem eine Atomfalle nur mit dem AC Zeeman-Effekt erzeugt wird. "Wir müssen mehr Mikrowellengeräte bauen, aber wir sollten unser aktuelles System und unseren aktuellen Chip nutzen können", sagte er. "Und das wird geldsparend, zeitsparend und insgesamt effizienter."

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