Skematisk, der viser, hvordan atomerne udbredes gennem eksperimentet. (Universitetet i Amsterdam/Scixel) Et nyt gennembrud har gjort det muligt for fysikere at skabe en stråle af atomer, der opfører sig på samme måde som en laser, og som teoretisk set kan blive ved 'for evigt'.
Dette kan endelig betyde, at teknologien er på vej til praktisk anvendelse, selvom der stadig gælder betydelige begrænsninger.
Ikke desto mindre er dette et stort skridt fremad for det, der er kendt som en 'atomlaser' – en stråle lavet af atomer, der marcherer som en enkelt bølge, der en dag kan bruges til at teste grundlæggende fysiske konstanter og ingeniørpræcisionsteknologi.
Atomlasere har eksisteret i et minut. Den første atomlaser blev skabt af et team af MIT fysikere tilbage i 1996 . Konceptet lyder ret simpelt: Ligesom en traditionel lysbaseret laser består af fotoner, der bevæger sig med deres bølger synkroniseret, ville en laser lavet af atomer kræve, at deres egen bølgelignende natur justeres, før den blev blandet ud som en stråle.
Som med mange ting i videnskaben er det dog lettere at begrebsliggøre end at indse. Ved roden af atomlaseren er en materiens tilstand kaldet a Bose-Einstein kondensat eller BEC.
En BEC skabes ved at afkøle en sky af bosoner til blot en brøkdel over det absolutte nul. Ved så lave temperaturer synker atomerne til deres lavest mulige energitilstand uden at stoppe helt.
Når de når disse lave energier, kan partiklernes kvanteegenskaber ikke længere forstyrre hinanden; de bevæger sig tæt nok på hinanden til at overlappe hinanden, hvilket resulterer i en sky af atomer med høj tæthed, der opfører sig som ét 'superatom' eller en stofbølge.
BEC'er er dog noget af et paradoks. De er meget skrøbelige; selv lys kan ødelægge en BEC. Givet at atomerne i en BEC er afkøles ved hjælp af optiske lasere , betyder det normalt, at en BEC's eksistens er flygtig.
Atomlasere, som videnskabsmænd har formået at opnå til dato, har været af pulserende snarere end kontinuerlig sort; og involverer affyring af kun én puls, før en ny BEC skal genereres.
For at skabe et kontinuerligt BEC indså et team af forskere ved University of Amsterdam i Holland, at noget skulle ændres.
'I tidligere eksperimenter blev den gradvise afkøling af atomer alt sammen udført på ét sted. I vores opsætning besluttede vi at sprede afkølingstrinene ikke over tid, men i rummet: vi får atomerne til at bevæge sig, mens de udvikler sig gennem på hinanden følgende afkølingstrin,' forklarede fysiker Florian Schreck .
'I sidste ende ankommer ultrakolde atomer til hjertet af eksperimentet, hvor de kan bruges til at danne sammenhængende stofbølger i en BEC. Men mens disse atomer bliver brugt, er nye atomer allerede på vej til at genopbygge BEC. På denne måde kan vi holde processen i gang – i bund og grund for evigt.'
Dette 'hjerte af eksperimentet' er en fælde, der holder BEC'en afskærmet mod lys, et reservoir, der kontinuerligt kan genopfyldes, så længe eksperimentet kører.
Beskyttelse af BEC mod lyset produceret af den kølende laser, men selvom det i teorien er simpelt, var det igen lidt vanskeligere i praksis. Ikke kun var der tekniske forhindringer, men der var også bureaukratiske og administrative forhindringer.
'Da vi flyttede til Amsterdam i 2013, begyndte vi med et spring af tro, lånte midler, et tomt rum og et hold, der udelukkende var finansieret af personlige tilskud,' sagde fysiker Chun-Chia Chen , der ledede forskningen.
'Seks år senere, i de tidlige timer julemorgen 2019, var eksperimentet endelig på randen af at virke. Vi havde ideen om at tilføje en ekstra laserstråle for at løse et sidste teknisk problem, og med det samme viste hvert billede, vi tog, en BEC, den første kontinuerlige BEC.'
Nu hvor den første del af den kontinuerlige atomlaser er blevet realiseret - den 'kontinuerlige atom'-del - arbejder næste trin, sagde teamet, på at opretholde en stabil atomstråle. De kunne opnå dette ved at overføre atomerne til en ufanget tilstand og derved udvinde en udbredende stofbølge.
Fordi de brugte strontiumatomer, et populært valg for BEC'er, åbner udsigten spændende muligheder, sagde de. Atominterferometri ved hjælp af strontium BEC'er kan for eksempel bruges til at udføre undersøgelser af relativitetsteori og kvantemekanik eller detektere gravitationsbølger .
'Vores eksperiment er materiebølgeanalogen til en optisk laser med fuldt reflekterende hulrumsspejle,' skrev forskerne i deres papir .
'Denne proof-of-princip-demonstration giver et nyt, hidtil forsvundet stykke atomoptik, der muliggør konstruktion af kontinuerlige kohærent-stof-bølge-enheder.'
Forskningen er publiceret i Natur .