울트라콜드 원자

Ultracold atom

울트라콜드 원자는 0 켈빈(절대 0)에 가까운 온도에서 유지되는 원자이며, 일반적으로 수십 마이크로켈빈(δK) 이하입니다.이러한 온도에서 원자의 양자역학적 특성은 중요해진다.

이러한 저온에 도달하려면 일반적으로 여러 가지 기술을 [1]조합하여 사용해야 합니다.첫째, 원자는 보통 자기광학 트랩에서 레이저 냉각을 통해 갇히고 예냉된다.최저 온도에 도달하기 위해 자기 또는 광학 트랩의 증발 냉각을 사용하여 추가 냉각을 수행합니다.물리학의 몇몇 노벨상은 개별 원자의 양자 특성을 조작하는 기술의 개발과 관련이 있다(예: 1995-1997, 2001, 2005, 2012, 2017).

초콜드 원자에 대한 실험은 양자 위상 전이, 보스-아인슈타인 응축(BEC), 보손 초유체, 양자 자기, 다체 스핀 역학, 에피모프 상태, 바딘-쿠퍼-슈리퍼(BCS) 초유체 및 BEC-를 포함한 다양한 현상을 연구한다.BCS [2]크로스오버이러한 연구 방향 중 일부는 단일한 페르미 가스,[3] 이싱과 허바드 모델을 포함한 다른 시스템의 물리학을 연구하기 위해 초미세 원자 시스템을 양자 시뮬레이터로 사용합니다.초강력 원자는 양자 [4]컴퓨터의 실현에도 사용될 수 있다.

역사

초경량 원자의 샘플은 일반적으로 희가스와 레이저장의 상호작용을 통해 준비된다.1901년 레베데프, 니콜스, 헐에 의해 독립적으로 방사선 압력에 대한 증거가 입증되었다.1933년 오토 프리슈는 나트륨 램프에서 생성된 빛에 의해 나트륨 입자가 편향되는 것을 시연했습니다.

레이저의 발명은 빛으로 원자를 조작하는 추가 기술의 개발에 박차를 가했다.레이저 빛을 이용하여 원자를 냉각시키는 것은 1975년 도플러 효과를 이용하여 원자에 대한 복사력을 도플러 냉각이라고 알려진 기술에 의존하게 함으로써 처음 제안되었다.포획된 이온의 샘플을 냉각하기 위한 유사한 아이디어도 제안되었다.도플러 냉각을 3차원으로 적용하면 일반적으로 몇 cm/s의 속도로 원자가 느려지고 광학식 [5]당밀이라고 알려진 것을 생산할 수 있습니다.

전형적으로, 이러한 실험의 중성 원자의 원천은 수백 켈빈의 온도에서 원자를 생산하는 열 오븐이었다.이 오븐에서 나오는 원자들은 초당 100미터의 속도로 움직이고 있다.도플러 냉각의 주요 기술적 문제 중 하나는 원자가 레이저 빛과 상호작용할 수 있는 시간을 늘리는 것이었습니다.이 도전은 Zeeman Slower의 도입으로 극복되었다.Zeeman Slower는 공간적으로 변화하는 자기장을 사용하여 도플러 냉각과 관련된 원자 전이의 상대적 에너지 간격을 유지합니다.이것은 원자가 레이저 빛과 상호작용하는 시간을 증가시킨다.

1987년 Raab 등에 의한 최초의 자기 광학 트랩(MOT)의 개발은 초경량 원자의 샘플 생성을 위한 중요한 단계였다.MOT에 의해 달성되는 일반적인 온도는 수십~수백 마이크로켈빈입니다.본질적으로 자기장 광학 트랩은 레이저가 속도 의존력뿐만 아니라 공간적으로 변화하는 힘을 제공하도록 자기장을 가함으로써 원자를 공간에 가두는 것이다.1997년 노벨 물리학상은[5] 레이저 빛으로 원자를 냉각하고 가두는 방법을 개발한 공로로 스티븐 추, 클로드 코헨 타누지, 윌리엄 D가 공동 수상했다. 필립스

증발 냉각은 보즈-아인슈타인 응축액(BEC)으로 알려진 사틴드라 나스 보즈와 알버트 아인슈타인에 의해 예측된 물질의 새로운 상태를 발견하기 위한 노력으로 낮은 온도에 도달하기 위한 실험 노력에 사용되었다.증발 냉각에서는 시료에서 가장 뜨거운 원자가 빠져나가 시료의 평균 온도를 낮춥니다.2001년[1] 노벨상은 에릭 A에게 수여되었다. 코넬, 볼프강 케틀, 칼 E. 알칼리 원자의 희박한 기체에서 보스-아인슈타인 응축액을 달성하고 응축물의 특성에 대한 초기 기초 연구를 위한 와이먼.

적용들

울트라콜드 원자는 독특한 양자 특성과 그러한 시스템에서 이용 가능한 훌륭한 실험 제어 때문에 다양한 응용 분야를 가지고 있다.예를 들어, 초강력 원자는 양자 계산과 양자 [6]시뮬레이션을 위한 플랫폼으로 제안되었으며, 이러한 목표를 달성하기 위한 매우 활발한 실험 연구가 수반되었다.

양자 시뮬레이션은 응집 물질 물리학의 맥락에서 매우 흥미로우며, 여기서 상호작용하는 양자 시스템의 특성에 대한 귀중한 통찰력을 제공할 수 있습니다.울트라콜드 원자는 관심 있는 응축 물질 시스템의 유사성을 구현하기 위해 사용되며, 그런 다음 특정 구현에서 사용할 수 있는 도구를 사용하여 탐색할 수 있습니다.이러한 도구는 실제 응축 물질 시스템에서 사용할 수 있는 것과 크게 다를 수 있기 때문에 실험적으로 접근 불가능한 양을 탐사할 수 있다.게다가, 초경량 원자는 다른 방법으로는 관찰할 수 없는 물질의 이국적인 상태를 만들어 낼 수도 있다.

울트라콜드 원자는 또한 낮은 열소음 및 경우에 따라서는 표준 양자 한계를 초과하는 양자 역학을 이용하여 정밀 측정을 위한 실험에도 사용됩니다.이러한 정밀 측정은 잠재적인 기술적 응용 외에도 물리학에 대한 현재 이해도를 테스트하는 역할을 할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b "The 2001 Nobel Prize in Physics - Popular Information". www.nobelprize.org. Retrieved 2016-01-27.
  2. ^ Madison, K. W.; Wang, Y. Q.; Rey, A. M.; et al., eds. (2013). Annual Review of Cold Atoms and Molecules. Vol. 1. World Scientific. doi:10.1142/8632. ISBN 978-981-4440-39-4.
  3. ^ Bloch, Immanuel; Dalibard, Jean; Nascimbène, Sylvain (2012). "Quantum simulations with ultracold quantum gases". Nature Physics. 8 (4): 267–276. Bibcode:2012NatPh...8..267B. doi:10.1038/nphys2259.
  4. ^ Nemirovsky, Jonathan; Sagi, Yoav (2021), "Fast universal two-qubit gate for neutral fermionic atoms in optical tweezers", Physical Review Research, 3 (1): 013113, doi:10.1103/PhysRevResearch.3.013113
  5. ^ a b "Press Release: The 1997 Nobel Prize in Physics". www.nobelprize.org. Retrieved 2016-01-27.
  6. ^ Bloch, Immanuel; Dalibard, Jean; Nascimbène, Sylvain (2012). "Quantum simulations with ultracold quantum gases". Nature Physics. 8 (4): 267–276. Bibcode:2012NatPh...8..267B. doi:10.1038/nphys2259.

원천