Il mondo di un atomo è un mondo di caos e calore casuali. A temperatura ambiente, una nuvola di atomi è un caos frenetico, con atomi che sfrecciano l'uno accanto all'altro e si scontrano, cambiando continuamente direzione e velocità.

Tali movimenti casuali possono essere rallentati, e anche fermato del tutto, raffreddando drasticamente gli atomi. A un pelo sopra lo zero assoluto, atomi precedentemente frenetici si trasformano in uno stato quasi zombi, muovendosi come una formazione ondulatoria, in una forma quantistica di materia nota come condensato di Bose-Einstein.

Poiché i primi condensati di Bose-Einstein sono stati prodotti con successo nel 1995 da ricercatori in Colorado e da Wolfgang Ketterle e colleghi del MIT, gli scienziati hanno osservato le loro strane proprietà quantistiche per ottenere informazioni su una serie di fenomeni, tra cui magnetismo e superconduttività. Ma raffreddare gli atomi in condensati è lento e inefficiente, e più del 99 percento degli atomi nella nuvola originale si perde nel processo.

Ora, I fisici del MIT hanno inventato una nuova tecnica per raffreddare gli atomi in condensati, che è più veloce del metodo convenzionale e conserva una grande frazione degli atomi originali. Il team ha utilizzato un nuovo processo di raffreddamento laser per raffreddare una nuvola di atomi di rubidio dalla temperatura ambiente a 1 microkelvin, o meno di un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto.

Con questa tecnica, la squadra è stata in grado di raffreddare 2, 000 atomi, e da ciò, generare un condensato di 1, 400 atomi, conservando il 70% del cloud originale. I loro risultati sono pubblicati oggi sulla rivista Scienza .

"Le persone stanno cercando di utilizzare i condensati di Bose-Einstein per comprendere il magnetismo e la superconduttività, oltre a usarli per realizzare giroscopi e orologi atomici, "dice Vladan Vuletić, il professore di fisica Lester Wolfe al MIT. "La nostra tecnica potrebbe iniziare ad accelerare tutte queste indagini".

Vuletić è l'autore senior del documento, che include anche il primo autore e assistente di ricerca Jiazhong Hu, così come Zachary Vendeiro, Valentin Crepel, Alban Urvoy, e Wenlan Chen.

"Una piccola frazione e un grande svantaggio"

Gli scienziati hanno creato convenzionalmente condensati di Bose-Einstein attraverso una combinazione di raffreddamento laser e raffreddamento evaporativo. Il processo inizia generalmente facendo brillare raggi laser da diverse direzioni su una nuvola di atomi. I fotoni nel raggio agiscono come minuscole palline da ping pong, rimbalzando molto più grande, atomi delle dimensioni di un basket, e rallentandoli un po' in ogni collisione. I fotoni del laser agiscono anche per comprimere la nuvola di atomi, limitando il loro movimento e raffreddandoli nel processo. Ma i ricercatori hanno scoperto che c'è un limite a quanto un laser può raffreddare gli atomi:più densa diventa una nuvola, minore è lo spazio per la diffusione dei fotoni; invece iniziano a generare calore.

A questo punto del processo, gli scienziati in genere spengono la luce e passano al raffreddamento evaporativo, che Vuletić descrive come "come raffreddare una tazza di caffè:aspetti solo che gli atomi più caldi escano". Ma questo è un processo lento che alla fine rimuove più del 99 percento degli atomi originali per trattenere gli atomi abbastanza freddi da trasformarsi in condensati di Bose-Einstein.

"Alla fine, devi iniziare con più di 1 milione di atomi per ottenere un condensato composto da soli 10, 000 atomi, " Vuletić dice. "Questa è una piccola frazione e un grande svantaggio".

Accordare una svolta

Vuletić e i suoi colleghi hanno trovato un modo per aggirare i limiti iniziali del raffreddamento laser, raffreddare gli atomi in condensati usando la luce laser dall'inizio alla fine, molto più velocemente, approccio di conservazione dell'atomo che descrive come un "sogno di vecchia data" tra i fisici del settore.

"Quello che abbiamo inventato è stata una nuova svolta nel metodo per farlo funzionare ad alta densità [atomica], " dice Vuletić.

I ricercatori hanno impiegato tecniche di raffreddamento laser convenzionali per raffreddare una nuvola di atomi di rubidio fino a poco sopra il punto in cui gli atomi diventano così compressi che i fotoni iniziano a riscaldare il campione.

Sono quindi passati a un metodo noto come raffreddamento Raman, in cui hanno usato una serie di due raggi laser per raffreddare ulteriormente gli atomi. Hanno sintonizzato il primo raggio in modo che i suoi fotoni, quando assorbito dagli atomi, trasforma l'energia cinetica degli atomi in energia magnetica. Gli atomi, in risposta, rallentato e raffreddato ulteriormente, pur mantenendo la loro energia totale originale.

Il team ha quindi puntato un secondo laser sulla nuvola molto compressa, che è stato sintonizzato in modo tale che i fotoni, quando assorbito dagli atomi più lenti, rimosso l'energia totale degli atomi, raffreddandoli ulteriormente.

"Alla fine i fotoni portano via l'energia del sistema in un processo in due fasi, " Vuletić dice. "In un solo passo, togli energia cinetica, e nel secondo passaggio, togli l'energia totale e riduci il disordine, nel senso che l'hai raffreddato."

Spiega che rimuovendo l'energia cinetica degli atomi, si sta essenzialmente eliminando i loro movimenti casuali e trasformando gli atomi in più di un'uniforme, comportamento quantistico simile ai condensati di Bose-Einstein. Questi condensati possono infine prendere forma quando gli atomi hanno perso la loro energia totale e si sono raffreddati a sufficienza per risiedere nei loro stati quantici più bassi.

Per arrivare a questo punto, i ricercatori hanno scoperto che dovevano fare un ulteriore passo avanti per raffreddare completamente gli atomi in condensati. Fare così, avevano bisogno di sintonizzare i laser lontano dalla risonanza atomica, il che significa che la luce potrebbe fuggire più facilmente dagli atomi senza spingerli in giro e riscaldarli.

"Gli atomi diventano quasi trasparenti ai fotoni, " dice Vuletić.

Ciò significa che i fotoni in ingresso hanno meno probabilità di essere assorbiti dagli atomi, innescando vibrazioni e calore. Anziché, ogni fotone rimbalza su un solo atomo.

"Prima, quando un fotone è entrato, è stato disperso da, dire, 10 atomi prima che uscisse, quindi ha fatto tremare 10 atomi, " dice Vuletić. "Se sintonizzate il laser lontano dalla risonanza, ora il fotone ha buone possibilità di fuoriuscire prima di colpire qualsiasi altro atomo. E si scopre aumentando la potenza del laser, puoi ripristinare la velocità di raffreddamento originale."

Il team ha scoperto che con la loro tecnica di raffreddamento laser, sono stati in grado di raffreddare gli atomi di rubidio da 200 microkelvin a 1 microkelvin in soli 0,1 secondi, in un processo 100 volte più veloce del metodo convenzionale. Cosa c'è di più, il campione finale del gruppo di condensati di Bose-Einstein conteneva 1, 400 atomi, da una nuvola originale di 2, 000, conservando una frazione molto più grande di atomi condensati rispetto ai metodi esistenti.

"Quando ero studente universitario, le persone avevano provato molti metodi diversi usando solo il raffreddamento laser, e non ha funzionato, e la gente si è arresa. Era un sogno di vecchia data rendere questo processo più semplice, Più veloce, più robusto, " Vuletić dice. "Quindi siamo piuttosto entusiasti di provare il nostro approccio su nuove specie di atomi, e pensiamo di poterlo ottenere per farlo fare 1, Condense 000 volte più grandi in futuro."