Talrige tællelige atomskyer

Put nogle kolde atomer i en lukket magnetisk 'skål' - tæl, hvor mange der er, smid overskuddet væk - og gør det igen og igen med det samme antal atomer. I Jan Arlts forskergruppe på IFA er der udviklet en ny og lovende teknik til at sikre, at man kan fremstille gasskyer hvor antallet af atomer med stor præcision er det samme gang efter gang. Nyheden bliver publiceret i en artikel i Physical Review Letters den 12. august 2016. Desuden har artiklen gjort sig fortjent til særlig omtale både som Editors' Suggestion i PRL, og til en nærmere omtale i Physical Review Focus.

15.08.2016 | Ole J. Knudsen

Den kolde gas er fanget i den aflange (blå) 'skål' til venstre ved hjælp af et magnetfeltudstyr, som ikke er vist på tegningen. Laserlys sendes igennem gassen, hvorved vekselvirkningen mellem lyset og atomerne roterer lysets polarisering. Det sendes videre igennem et optisk system, hvor kun det roterede lys slipper igennem til et CCD kamera, som hurtigt tager en række billeder af det polariseringsdrejede lys. Metoden kaldes Faraday imaging. Hvert billede analyseres efterhånden som de optages, af et integreret kredsløb, som kaldes en FPGA (Field-Programmable Gate Array), og herfra sendes besked til RF-enheden, som 'åbner' fælden for at lukke få atomer ud ad gangen, hvorpå en ny billedserie bekræfter udfaldet af stabiliseringsproceduren. Fotodioden PD er med til at sikre, at laserens lysstyrke er konstant, så variationer her ikke ødelægger præcisionen i atomantallet.

Ultrakolde gasser er gode at udføre eksperimenter med. Ved særlige lave temperaturer – langt under temperaturene i det ydre rum - danner gassens atomer et Bose-Einstein-kondensat, som er en tilstand, hvor gassens atomer 'smelter sammen' til ét stort 'super'-atom. Det er interessant både til grundforskning i kvantemekanik og atomfysik, og til præcisionsmålinger af for eksempel tyngdekraften.

I en artikel med titlen "Preparation of ultracold atom clouds at the shot noise level" beskriver Aarhusforskerne, hvordan det er lykkedes dem at udvikle en teknik, hvor man både hurtigt og med stor præcision kan skabe  ultrakolde skyer af Rubidiumatomer, hvor atomantallet fra gang til gang varierer med mindre end 0,1 %, hvilket giver langt bedre startbetingelser for gode målinger.

 Et antal Rubidiumatomer i størrelsesordenen nogle få millioner nedkøles til omkring 10 mikroKelvin, og indkapsles i gasform i en cigarformet magnetisk  fælde. Laserlys sendes igennem gassen, og atomerne roterer lysets polarisering på en måde, som er proportional med antallet af atomer i gassen. Baseret på automatisk on-line billedanalyse, fjernes de overskydende atomer fra fælden ved at sænke det magnetiske felt en smule, hvorved man opnår det ønskede antal atomer. Den ultrakolde atomsky kan  nu bruges til eksperimenter, hvor reproducerbarhed i antallet af atomer er vigtig for målestatistikken.

Metoden  sørger for, at man har det samme antal atomer i forsøg efter forsøg. Forskerne slukker for den magnetiske fælde efter første del at forsøget, så atomerne får lov til at sprede sig som en almindelig gas. Ved nu at måle lysabsorptionen i gassen får man et uafhængigt check på det tidligere målte antal af atomer i gassen.

Artiklen i Physical Review Focus er her

Institut for Fysik og Astronomi, Medarbejdere, Offentligheden / Pressen, Studerende