อะตอมเลเซอร์

อะตอมเลเซอร์

ไม่นานหลังจากการประดิษฐ์เลเซอร์ในช่วงปลายทศวรรษ 1950 หลายคนขนานนามการค้นพบนี้ว่าเป็น “วิธีแก้ปัญหาในการค้นหาปัญหา” ทุกวันนี้ เลเซอร์ถูกนำไปใช้ในงานด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่หลากหลาย เนื่องจากความเข้มสูงและความสามารถในการเปล่งแสงในช่วงความยาวคลื่นที่แคบมาก แท้จริงแล้ว เลเซอร์ได้ปฏิวัติวงการทัศนศาสตร์ทั้งหมด และปัจจุบันมีบทบาทสำคัญในเครือข่าย

การสื่อสาร

ของโลก ตลาดสำหรับเลเซอร์ เครื่องขยายสัญญาณออปติคัล และส่วนประกอบออปโตอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ มีมูลค่าหลายพันล้านดอลลาร์ทุกปี นักฟิสิกส์ปรมาณูหวังว่าการประดิษฐ์ “เลเซอร์อะตอม” จะจุดประกายให้เกิดการปฏิวัติที่คล้ายคลึงกันในด้านของออปติกอะตอม หรือออปติกของคลื่นสสาร

อย่างที่ทราบกันดี นักวิจัยในสาขานี้อาศัยการเปรียบเทียบอย่างมากระหว่างแสงกับธรรมชาติที่เหมือนคลื่นของอะตอม เลนส์ กระจก และตัวแยกลำแสงได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อควบคุมลำแสงปรมาณู เช่นเดียวกับที่เลนส์ที่ทำหน้าที่ควบคุมแสง แต่สิ่งที่ขาดหายไปในอะตอมออปติกจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้

คือแหล่งกำเนิดที่สามารถสร้างลำแสงที่เข้มข้น มีทิศทางสูง และสอดคล้องกัน ซึ่งอะตอมทั้งหมดมีความยาวคลื่นเท่ากัน เช่นเดียวกับโฟตอนในลำแสงเลเซอร์ นี่จะเป็นเลเซอร์อะตอม พื้นฐานของโบส-ไอน์สไตน์แนวคิดสำหรับเลเซอร์อะตอมเกิดขึ้นก่อนการสาธิตปรากฏการณ์ควอนตัมที่แปลกใหม่

อะตอมทั้งหมดครอบครองสถานะควอนตัมเดียวกันและสามารถอธิบายได้ด้วยฟังก์ชันคลื่นเดียวกัน คอนเดนเสทจึงมีคุณสมบัติที่ผิดปกติมากมายซึ่งไม่พบในสถานะอื่นของสสาร เหตุใดเราจึงคิดว่าคอนเดนเสท Bose เป็นแหล่งกำเนิดคลื่นสสารที่เชื่อมโยงกัน เพื่อจัดการกับประเด็นสำคัญนี้ เราต้องเตือนตัวเอง

ให้นึกถึงฟิสิกส์บางอย่างที่อยู่เบื้องหลังคุณสมบัติของแสงเลเซอร์ ในเลเซอร์ โฟตอนทั้งหมดมีฟังก์ชันคลื่นเดียวกัน สิ่งนี้เป็นไปได้เนื่องจากโฟตอนมีโมเมนตัมเชิงมุมภายในหรือ “สปิน” ของค่าคงที่ของพลังค์h หารด้วย2 p อนุภาคที่มีการหมุนที่เป็นจำนวนเต็มทวีคูณของh/2 pเป็นไปตามสถิติ

ซึ่งหมายความ

ว่ามากกว่าหนึ่งสิ่งที่เรียกว่าโบซอนสามารถครอบครองสถานะควอนตัมเดียวกันได้ อนุภาคที่มีสปินเป็นจำนวนเต็มครึ่ง เช่น อิเล็กตรอน นิวตรอน และโปรตอน ซึ่งทั้งหมดมีสปินh/4 pเป็นไปตามสถิติของ เฟอร์เมียนเดียวเท่านั้นที่สามารถครอบครองสถานะควอนตัมที่กำหนดได้ อนุภาคเชิงประกอบ 

เช่น อะตอม คือ โบซอน ถ้าผลรวมของโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนเป็นเลขคู่ อนุภาคประกอบคือเฟอร์มิออนถ้าผลรวมนี้เป็นเลขคี่ ตัวอย่างเช่น อะตอมของโซเดียม-23 เป็นโบซอน ดังนั้นอะตอมจำนวนมากจึงสามารถถูกบังคับให้อยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกันได้ ดังนั้นจึงมีฟังก์ชันคลื่นเหมือนกัน

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ อะตอมจำนวนมากต้องถูกกักขังไว้ภายในกับดักขนาดเล็กและทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิต่ำกว่ามิลลิเคลวินโดยใช้เทคนิคทางแสงของการควบแน่นของโบส-ไอน์สไตน์ในก๊าซอะตอมเจือจาง แต่หลังจากที่มีการผลิตคอนเดนเสทดังกล่าวครั้งแรกในปี 1995 เท่านั้น การแสวงหา

ในบทความนี้ เราจะมุ่งเน้นไปที่คุณสมบัติของคอนเดนเสทมากกว่าการสร้างคอนเดนเสท คุณสมบัติที่สำคัญของแสงเลเซอร์คือเป็นแสงสีเดียว โดยการเปรียบเทียบ ในคอนเดนเสทแบบโบส-ไอน์สไตน์ อะตอมทั้งหมดมีพลังงานเท่ากัน และด้วยเหตุนี้ความยาวคลื่น จึงเท่ากัน 

หากสามารถคงคุณสมบัตินี้ไว้ได้เมื่ออะตอมถูกปลดปล่อยออกจากคอนเดนเสท เราจะมีแหล่งกำเนิดคลื่นสสารที่มีสีเดียวคุณสมบัติที่สำคัญอีกประการของแสงเลเซอร์คือความเข้มของมันคงที่มาก คุณสมบัตินี้ (เรียกว่าการเชื่อมโยงกันอันดับสอง ซึ่งจะกล่าวถึงด้านล่าง) ไม่ค่อยถูกนำไปใช้ในทางปฏิบัติ 

แต่เป็นคุณสมบัติที่ทำให้เลเซอร์แตกต่างจากแหล่งกำเนิดแสงความร้อน เช่น หลอดไส้ ข้อต่อเอาท์พุทคอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์ถูกผลิตขึ้นในศักยภาพที่จำกัด เช่น กับดักแม่เหล็กหรือออปติคัล โดยใช้ประโยชน์จากโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมหรือโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำโดยเลเซอร์ 

ตัวอย่างเช่น ในกับดักแม่เหล็ก เมื่ออะตอมถูกทำให้เย็นลงและถูกดักจับด้วยเลเซอร์ แสงจะถูกปิดและสนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอจะทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้าที่กักกันรอบๆ อะตอม กับดักนั้นคล้ายคลึงกับช่องแสงที่เกิดจากกระจกในเลเซอร์ทั่วไป แต่ในการสร้างเลเซอร์ เราจำเป็นต้องแยกสนามที่สัมพันธ์กัน

ออกจาก

ช่องแสงด้วยวิธีที่ควบคุมได้ เทคนิคนี้เรียกว่า “การต่อพ่วงเอาต์พุต” ในกรณีของเลเซอร์ธรรมดา เอาท์พุตคัปเปลอร์เป็นกระจกที่ส่งสัญญาณบางส่วน การควบรวมเอาต์พุทสำหรับอะตอมสามารถทำได้โดยการถ่ายโอนจากสถานะที่ถูกจำกัดให้อยู่ในสถานะที่ไม่ปกติ โดยการเปลี่ยนระดับความอิสระภายใน

ในการทดลองของ MIT ความผันผวนของสนามแม่เหล็กที่จำกัดทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของความถี่ที่จำเป็นในการพลิกสปินของอะตอมในกับดัก เพื่อแก้ไขปัญหานี้ สนามความถี่วิทยุถูกพัลส์ในช่วงเวลาที่สั้นเมื่อเทียบกับช่วงเวลาที่สนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลง ลักษณะที่สั้นและเป็นจังหวะของคัปปลิ้งเอาท์พุต

หมายความว่าความยาวที่เชื่อมโยงกัน (เช่น ระยะทางที่คลื่นสสารยังคงอยู่ “ในขั้น”) ถูกจำกัดไว้ที่ความยาวของคอนเดนเสทเอง อย่างไรก็ตาม ความยาวของการเชื่อมโยงกันสามารถเพิ่มได้โดย “การไหล” ของคอนเดนเสทออกจากกับดักโดยใช้อัตราการเชื่อมต่อเอาต์พุตต่อเนื่องที่ต่ำเช่น 

ในเมืองเกเธอร์สเบิร์ก รัฐแมรี่แลนด์ อะตอมถูกแยกออกจากกับดักแม่เหล็กโดยใช้เทคนิคทางแสงที่เรียกว่าการกระเจิงของรามานที่ถูกกระตุ้น เพื่อเปลี่ยนสถานะควอนตัมของอะตอมของคอนเดนเสทจากอะตอมที่ถูกกักขังเป็นอะตอมที่ไม่ได้ อะตอมของคอนเดนเสทจะดูดซับโฟตอนที่ความยาวคลื่นหนึ่ง

credit : เว็บแท้ / ดัมมี่ออนไลน์