Fizikanët ndërtojnë një lazer atomi që mat me saktësi të madhe

Lazerët përdorin valë koherente të dritës: E gjithë drita brenda një lazeri dridhet plotësisht në sinkron. Ndërkohë, mekanika kuantike na thotë se grimcat si atomet duhet të mendohen gjithashtu si valë. Si rezultat, ne mund të ndërtojmë “lazer atomike” që përmbajnë valë koherente të materies. Por a mund t’i bëjmë këto valë materie të qëndrueshme, në mënyrë që ato të mund të përdoren në aplikime? Në hulumtimin që u botua në Nature këtë javë, një ekip fizikantësh nga Amsterdami tregon se përgjigja për këtë pyetje është pozitive.

Koncepti që qëndron në themel të lazerit atomik është i ashtuquajturi Bose-Einstein Condensate, ose shkurt BEC. Grimcat elementare në natyrë gjenden në dy lloje: fermione dhe bozone. Fermionet janë grimca si elektronet dhe kuarkët – blloqet ndërtuese të materies nga e cila jemi bërë. Bozonët janë shumë të ndryshëm në natyrë: ata nuk janë të fortë si fermionet, por të butë: për shembull, ata mund të lëvizin përmes njëri-tjetrit pa problem. Shembulli më i njohur i bozonit është fotoni, sasia më e vogël e mundshme e dritës. Por grimcat e materies gjithashtu mund të kombinohen për të formuar bozone – në fakt, atome të tëra mund të sillen njësoj si grimcat e dritës. Ajo që i bën bozonet kaq të veçantë është se ata mund të jenë të gjithë në të njëjtën gjendje saktësisht në të njëjtën kohë, ose të formuluara në terma më teknikë, ata mund të “kondensohen” në një valë koherente. Kur ky lloj kondensimi ndodh për grimcat e materies, fizikanët e quajnë substancën që rezulton një kondensatë Bose-Einstein.

Në jetën e përditshme, ne nuk jemi aspak të njohur me këto kondensata. Arsyeja: është shumë e vështirë që atomet të sillen të gjithë si një. Fajtori që shkatërron sinkronicitetin është temperatura – kur një substancë nxehet, grimcat përbërëse fillojnë të lëvizin përreth dhe bëhet praktikisht e pamundur t’i detyrosh ato të sillen si një. Vetëm në temperatura jashtëzakonisht të ulëta, rreth një e milionta e një shkalle mbi zero absolute (rreth 273 gradë nën zero në shkallën Celsius), ekziston mundësia për të formuar valët e materies koherente të një BEC.

Një çerek shekulli më parë, kondensatat e para Bose-Einstein u krijuan në laboratorët e fizikës. Kjo hapi mundësinë për të ndërtuar lazer atomike – pajisje që nxjerrin fjalë për fjalë rrezet e materies – por këto pajisje ishin në gjendje të funksiononin vetëm për një kohë shumë të shkurtër. Lazerët mund të prodhonin impulse të valëve të materies, por pas dërgimit të një impulsi të tillë, duhej të krijohej një BEC i ri përpara se të dërgohej pulsi tjetër. Për një hap të parë drejt një lazeri atomi, kjo nuk ishte ende e keqe. Në fakt, lazerët e zakonshëm, optikë u bënë gjithashtu në një variant pulsues përpara se fizikanët të ishin në gjendje të krijonin lazer të vazhdueshëm. Por ndërsa zhvillimet për lazerët optikë kishin ecur shumë shpejt, lazeri i parë i vazhdueshëm u prodhua brenda gjashtë muajve pas homologut të tij pulsues, për lazerët atomik versioni i vazhdueshëm mbeti i pakapshëm për më shumë se 25 vjet.

Ishte e qartë se cili ishte problemi: BEC-të janë shumë të brishtë dhe shkatërrohen me shpejtësi kur bie drita mbi to. Megjithatë, prania e dritës është thelbësore në formimin e kondensatës: për të ftohur një substancë deri në një të miliontën e shkallës, duhet të ftohen atomet e saj duke përdorur dritën lazer. Si rezultat, BEC-të u kufizuan në shpërthime të shpejta, pa asnjë mënyrë për t’i mbajtur ato në mënyrë koherente.

Një ekip fizikantësh nga Universiteti i Amsterdamit tani ka arritur të zgjidhë problemin e vështirë të krijimit të një kondensate të vazhdueshme Bose-Einstein. Florian Schreck, drejtuesi i ekipit, shpjegon se cili ishte truku. “Në eksperimentet e mëparshme, ftohja graduale e atomeve bëhej e gjitha në një vend. Në konfigurimin tonë, ne vendosëm t’i përhapim hapat e ftohjes jo me kalimin e kohës, por në hapësirë: ne i bëjmë atomet të lëvizin ndërsa ato përparojnë nëpër hapa të njëpasnjëshëm ftohjeje. në fund, atomet ultra të ftohta arrijnë në qendër të eksperimentit, ku mund të përdoren për të formuar valë koherente të materies në një BEC. Por ndërsa këto atome po përdoren, atome të reja tashmë janë në rrugën e tyre për të rimbushur BEC. Në këtë mënyrë ne mund ta vazhdojmë procesin – në thelb përgjithmonë.”

Ndërsa ideja themelore ishte relativisht e thjeshtë, zbatimi i saj sigurisht që nuk ishte. Chun-Chia Chen, autori i parë i botimit në Nature, kujton: “Tashmë në vitin 2012, ekipi – atëherë ende në Innsbruck – realizoi një teknikë që lejonte një BEC të mbrohej nga drita ftohëse lazer, duke mundësuar për herë të parë ftohjen me lazer deri në gjendjen e degjeneruar të nevojshme për valët koherente. Ndërsa ky ishte një hap i parë kritik drejt sfidës së gjatë të ndërtimit të një lazeri atomik të vazhdueshëm, ishte gjithashtu e qartë se një makinë e dedikuar do të duhej për ta çuar më tej. duke u zhvendosur në Amsterdam në 2013, filluam me një kërcim besimi, fonde të huazuara, një dhomë të zbrazët dhe një ekip të financuar tërësisht nga grantet personale. Gjashtë vjet më vonë, në orët e para të mëngjesit të Krishtlindjeve 2019, eksperimenti më në fund ishte në prag të Ne kishim idenë të shtonim një rreze lazer shtesë për të zgjidhur një vështirësi të fundit teknike dhe në çast çdo imazh që bënim tregonte një BEC, BEC e parë me valë të vazhdueshme.”

Pasi kanë trajtuar problemin e hapur prej kohësh të krijimit të një kondensate të vazhdueshme Bose-Einstein, studiuesit tani kanë vendosur mendjen në qëllimin tjetër: përdorimin e lazerit për të krijuar një rreze të qëndrueshme dalëse të materies. Pasi lazerët e tyre jo vetëm që mund të funksionojnë përgjithmonë, por gjithashtu mund të prodhojnë rreze të qëndrueshme, asgjë nuk i pengon më aplikimet teknike dhe lazerët e materies mund të fillojnë të luajnë një rol po aq të rëndësishëm në teknologji si lazerët e zakonshëm aktualisht.