Fysikere bygger en atomlaser som kan forbli på for alltid

Lasere bruker koherente lysbølger: Alt lyset inne i en laser vibrerer helt synkronisert. I mellomtiden forteller kvantemekanikken oss at partikler som atomer også bør betraktes som bølger. Som et resultat kan vi bygge “atomlasere” som inneholder sammenhengende bølger av materie. Men kan vi få disse materiebølgene til å vare, slik at de kan brukes i applikasjoner? I forskning som ble publisert i Natur denne uken viser et team av Amsterdam-fysikere at svaret på dette spørsmålet er bekreftende.

Får bosoner til å marsjere synkronisert

Konseptet som ligger til grunn for atomlaseren er det såkalte Bose-Einstein Condensate, eller forkortet BEC. Elementærpartikler i naturen forekommer i to typer: fermioner og bosoner. Fermioner er partikler som elektroner og kvarker – byggesteinene i materien vi er laget av. Bosoner er svært forskjellige i naturen: de er ikke harde som fermioner, men myke: for eksempel kan de bevege seg gjennom hverandre uten problemer. Det mest kjente eksemplet på et boson er fotonet, den minste mulige mengde lys. Men materiepartikler kan også kombineres for å danne bosoner – faktisk hele atomer kan oppføre seg akkurat som lyspartikler. Det som gjør bosoner så spesielle er at de alle kan være i nøyaktig samme tilstand på nøyaktig samme tid, eller formulert i mer tekniske termer, kan de “kondensere” til en sammenhengende bølge. Når denne typen kondensering skjer for materiepartikler, kaller fysikere det resulterende stoffet for et Bose-Einstein-kondensat.

I hverdagen er vi ikke kjent med disse kondensatene i det hele tatt. Årsaken: det er veldig vanskelig å få atomer til å oppføre seg som ett. Den skyldige som ødelegger synkronisiteten er temperaturen – når et stoff varmes opp, begynner partiklene å vikle rundt, og det blir praktisk talt umulig å få dem til å oppføre seg som én. Bare ved ekstremt lave temperaturer, omtrent en milliondels grad over absolutt null (omtrent 273 grader under null på Celsius-skalaen), er det en sjanse for å danne de koherente materiebølgene til en BEC.

Flyktige utbrudd

For et kvart århundre siden ble de første Bose-Einstein-kondensatene laget i fysikklaboratorier. Dette åpnet muligheten for å bygge atomlasere – enheter som bokstavelig talt sender ut materiestråler – men disse enhetene var bare i stand til å fungere i svært kort tid. Laserne kunne produsere pulser av materiebølger, men etter å ha sendt ut en slik puls, måtte en ny BEC opprettes før neste puls kunne sendes ut. For et første skritt mot en atomlaser var dette fortsatt ikke dårlig. Vanlige, optiske lasere ble faktisk også laget i en pulserende variant før fysikere var i stand til å lage kontinuerlige lasere. Men mens utviklingen for optiske lasere hadde gått veldig fort, den første kontinuerlige laseren ble produsert innen seks måneder etter sin pulserende motpart, for atomlasere forble den kontinuerlige versjonen unnvikende i mer enn 25 år.

Det var klart hva problemet var: BEC-er er veldig skjøre, og blir raskt ødelagt når lys faller på dem. Likevel er tilstedeværelsen av lys avgjørende for å danne kondensatet: for å kjøle et stoff ned til en milliondels grad, må man kjøle ned atomene ved hjelp av laserlys. Som et resultat ble BEC-er begrenset til flyktige utbrudd, uten noen måte å opprettholde dem på en sammenhengende måte.

En julegave

Et team av fysikere fra Universitetet i Amsterdam har nå klart å løse det vanskelige problemet med å lage et kontinuerlig Bose-Einstein-kondensat. Florian Schreck, laglederen, forklarer hva trikset var. “I tidligere eksperimenter ble den gradvise avkjølingen av atomer gjort på ett sted. I oppsettet vårt bestemte vi oss for å spre kjøletrinnene ikke over tid, men i rommet: vi får atomene til å bevege seg mens de går gjennom påfølgende avkjølingstrinn. I til slutt kommer ultrakalde atomer til hjertet av eksperimentet, hvor de kan brukes til å danne koherente materiebølger i en BEC. Men mens disse atomene brukes, er nye atomer allerede på vei for å fylle opp BEC. På denne måten vi kan holde prosessen i gang – i hovedsak for alltid.”

Selv om den underliggende ideen var relativt enkel, var det absolutt ikke det å gjennomføre den. Chun-Chia Chen, førsteforfatter av publikasjonen i Naturhusker: “Allerede i 2012 realiserte teamet – da fortsatt i Innsbruck – en teknikk som gjorde at en BEC ble beskyttet mot laserkjølende lys, og muliggjorde for første gang laserkjøling helt ned til den degenererte tilstanden som trengs for koherente bølger Selv om dette var et kritisk første skritt mot den langvarige utfordringen med å konstruere en kontinuerlig atomlaser, var det også klart at en dedikert maskin ville være nødvendig for å ta det videre. Da vi flyttet til Amsterdam i 2013, begynte vi med et sprang på tro, lånte midler, et tomt rom og et team helt finansiert av personlige tilskudd. Seks år senere, tidlig på julemorgen 2019, var eksperimentet endelig på nippet til å fungere. Vi hadde ideen om å legge til en ekstra laserstråle for å løse et siste teknisk problem, og umiddelbart viste hvert bilde vi tok en BEC, den første kontinuerlige BEC.”

Etter å ha taklet det langvarige åpne problemet med å lage et kontinuerlig Bose-Einstein-kondensat, har forskerne nå satt tankene sine på neste mål: å bruke laseren til å lage en stabil utgangsstråle av materie. Når laserne deres ikke bare kan fungere for alltid, men også kan produsere stabile stråler, står ingenting i veien for tekniske applikasjoner lenger, og saken lasere kan begynne å spille en like viktig rolle i teknologien som vanlige lasere gjør i dag.

---

---