Κατά τη διάρκεια των δύο τελευταίων δεκαετιών του 20ου αιώνα, οι ατομικοί φυσικοί έσπασαν επανειλημμένα το ρεκόρ για την πιο κρύα θερμοκρασία στο σύμπαν. Αυτά τα επιτεύγματα βασίστηκαν σε μια χούφτα προόδους, συμπεριλαμβανομένης της ψύξης με λέιζερ (όπως περιγράφεται στο μέρος 1 αυτής της ιστορίας), η μαγνητο-οπτική παγίδα και τεχνικές όπως η ψύξη του Σίσυφου που λειτούργησαν καλύτερα από το αναμενόμενο (όπως περιγράφεται στο μέρος 2). Μέχρι το 1990, οι φυσικοί ψύχωναν τακτικά δεκάδες εκατομμύρια άτομα σε θερμοκρασίες μερικές δεκάδες microkelvin πάνω από το απόλυτο μηδέν – χίλιες φορές πιο κρύες από τα συμβατικά κρυογονικά και ένα κλάσμα του «ορίου ψύξης Doppler» που προβλεπόταν για ψύξη με λέιζερ απλά άτομα.

Όσο δραματική κι αν ήταν αυτή η βουτιά, ωστόσο, μια ακόμη πιο προκλητική πτώση της θερμοκρασίας προκάλεσε: ένας επιπλέον συντελεστής 1000, από microkelvin σε nanokelvin. Αυτή η πρόσθετη πτώση θα εισήγαγε ένα νέο βασίλειο της φυσικής γνωστό ως κβαντικός εκφυλισμός. Εδώ, οι χαμηλές θερμοκρασίες και οι υψηλές πυκνότητες αναγκάζουν τα άτομα σε μία από τις δύο εξωτικές καταστάσεις της ύλης: είτε α Συμπύκνωμα Bose–Einstein (BEC), στο οποίο όλα τα άτομα σε ένα αέριο συγχωνεύονται στην ίδια κβαντική κατάσταση, ή ένα εκφυλισμένο αέριο Fermi (DFG), στο οποίο η συνολική ενέργεια του αερίου σταματά να μειώνεται επειδή όλες οι διαθέσιμες ενεργειακές καταστάσεις είναι πλήρεις (εικόνα 1).

Τα BEC και τα DFG είναι καθαρά κβαντικά φαινόμενα και το συνολικό σπιν ενός ατόμου υπαγορεύει ποιο από αυτά θα σχηματιστεί. Εάν το άτομο έχει ζυγό αριθμό ηλεκτρονίων, πρωτονίων και νετρονίων, είναι ένα μποζόνιο και μπορεί να υποβληθεί σε BEC. Εάν το σύνολο είναι περιττό, είναι ένα φερμιόνιο και μπορεί να κάνει ένα DFG. Διαφορετικά ισότοπα του ίδιου στοιχείου συμπεριφέρονται μερικές φορές με αντίθετους τρόπους – οι φυσικοί έχουν φτιάξει BEC από λίθιο-7 και DFG με λίθιο-6 – και αυτή η διαφορά στη συμπεριφορά σε χαμηλή θερμοκρασία είναι μια από τις πιο δραματικές επιδείξεις της θεμελιώδους διαίρεσης μεταξύ κβαντικών σωματιδίων.

Όπως και με προηγούμενες ανακαλύψεις που περιγράφηκαν σε αυτή τη σειρά, η κατάδυση στον κβαντικό εκφυλισμό προέκυψε χάρη στις νέες τεχνολογίες που εισήχθησαν σε ερευνητικά εργαστήρια διάσπαρτα σε όλο τον κόσμο. Και – όπως και με τις προηγούμενες εξελίξεις – μια από αυτές τις τεχνολογίες έφτασε εντελώς τυχαία.

Φθηνή ψύξη με λέιζερ

Στα μέσα της δεκαετίας του 1980, Καρλ Γουίμαν μελετούσε την παραβίαση της ισοτιμίας σε άτομα καισίου στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, Boulder, στις ΗΠΑ. Αυτές οι μελέτες απαιτούν χρονοβόρες και ακριβείς μετρήσεις φασματοσκοπίας και ο φοιτητής διδάκτορα του Wieman Rich Watts ανέπτυξε έναν τρόπο να τα κάνει χρησιμοποιώντας διοδικά λέιζερ όπως αυτά που κατασκευάζονται από εκατομμύρια για συσκευές αναπαραγωγής CD.

Αφού πέρασε χρόνια για να βρει πώς να σταθεροποιήσει και να ελέγξει αυτές τις φτηνές συσκευές στερεάς κατάστασης, ο Watts (πολύ εύλογα) ήθελε να τελειώσει το διδακτορικό του, οπότε μαζί με τον Wieman κοίταξαν γύρω για ένα πιο βραχυπρόθεσμο πείραμα για να τις δοκιμάσουν. Η απάντηση που βρήκαν ήταν ψύξη με λέιζερ. «Ήταν αυτό το διασκεδαστικό μικρό πράγμα να τελειώσω τη διατριβή αυτού του φοιτητή», θυμάται ο Wieman, «και έτσι μπήκα εντελώς στην [ψύξη λέιζερ]».

Το 1986 οι Watts και Wieman έγιναν το πρώτα ψύχεται με λέιζερ μια δέσμη ατόμων καισίου. Ο Watts ήταν επίσης ο πρώτος που ψύξε το ρουβίδιο με λέιζερ, ως μεταδιδακτορικός Hal Metcalf στο Πανεπιστήμιο Stony Brook στη Νέα Υόρκη και συμμετείχε στα βασικά πειράματα που αποκάλυψαν την ψύξη υπό-Doppler Μπιλ Φίλιπςεργαστήριο στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ (NIST) στο Gaithersburg, Maryland. Ωστόσο, όπως ένας άλλος βασικός παίκτης που θα συναντήσουμε σε αυτή την ιστορία, ο Watts έφυγε πολύ σύντομα από τη σκηνή, πεθαίνει σε ηλικία μόλις 39 ετών το 1996.

Ο Wieman, εν τω μεταξύ, χρειαζόταν έναν νέο επιστημονικό στόχο, κάτι που μπορούσε να γίνει μόνο με ψυχρά άτομα. Αυτός, μαζί με νέους συναδέλφους και ανταγωνιστές, το βρήκε σε μια πολύ παλιά ιδέα με άψογη επιστημονική γενεαλογία: τη συμπύκνωση Bose–Einstein.

Ένας αγώνας προς τα κάτω

σε 1924 Satyendra Nath Bose ήταν φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Ντάκα στο σημερινό Μπαγκλαντές. Ενώ δίδασκε το νέο και ταχέως αναπτυσσόμενο πεδίο της κβαντικής φυσικής, συνειδητοποίησε ότι ο τύπος του Max Planck για το φάσμα του φωτός από ένα καυτό αντικείμενο θα μπορούσε να προέλθει από τους στατιστικούς κανόνες που διέπουν τη συμπεριφορά των φωτονίων, τα οποία είναι πολύ πιο πιθανό από τα κλασικά σωματίδια να είναι βρέθηκαν στις ίδιες πολιτείες.

Ο Μποζ δυσκολεύτηκε να δημοσιεύσει το έργο του, γι' αυτό έστειλε ένα αντίγραφο στον Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο οποίος το αγάπησε τόσο πολύ που κανόνισε να γίνει δημοσιευτηκε σε Zeitschrift für Physik δίπλα σε ένα δικό του χαρτί. Οι συνεισφορές του Αϊνστάιν περιελάμβαναν την επέκταση των στατιστικών φωτονίων σε άλλους τύπους σωματιδίων (συμπεριλαμβανομένων των ατόμων) και την επισήμανση μιας ενδιαφέρουσας συνέπειας: σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, η πιο πιθανή κατάσταση του συστήματος είναι όλα τα σωματίδια να καταλαμβάνουν την ίδια ενεργειακή κατάσταση.

Αυτή η συλλογική κατάσταση ονομάζεται πλέον BEC και σχετίζεται στενά με την υπερρευστότητα και την υπεραγωγιμότητα, που παρατηρούνται σε υγρά και στερεά (αντίστοιχα) σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Η ίδια η μετάβαση στο BEC, ωστόσο, θα μπορούσε κατ' αρχήν να συμβεί σε ένα αραιό αέριο ατόμων – ακριβώς όπως αυτά που άρχισαν να δημιουργούν οι ατομικοί φυσικοί τη δεκαετία του 1970.

Ωστόσο, υπήρχαν μερικά εμπόδια. Το ένα είναι ότι η κρίσιμη θερμοκρασία στην οποία σχηματίζεται ένα BEC καθορίζεται από την πυκνότητα: όσο μικρότερη είναι η πυκνότητα, τόσο χαμηλότερη είναι η κρίσιμη θερμοκρασία. Αν και η ψύξη του Σίσυφου κατέστησε δυνατές τις θερμοκρασίες μικροκέλβιν, οι ατομικοί ατμοί που ψύχονται με λέιζερ είναι τόσο διάχυτοι που η θερμοκρασία μετάβασής τους είναι ακόμη χαμηλότερη, στην περιοχή των νανοκελβινών. Είναι επίσης χαμηλότερη από τη «θερμοκρασία ανάκρουσης» που σχετίζεται με τα άτομα που απορροφούν ή εκπέμπουν ένα μόνο φωτόνιο. Επομένως, η ψύξη κάτω από αυτό το όριο πρέπει να γίνεται χωρίς λέιζερ.

Μία εξάτμιση τη φορά

Η γενική λύση σε αυτά τα προβλήματα προήλθε από Ντάνιελ Κλέπνερ και συναδέλφους στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT). Είναι παρόμοιος με τον μηχανισμό που δροσίζει ένα φλιτζάνι τσάι. Τα μόρια του νερού στο τσάι κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες και τα πιο γρήγορα έχουν αρκετή ενέργεια για να απελευθερωθούν και να επιπλέουν ως υδρατμοί. Επειδή αυτοί οι «δραπέτες» φέρουν μεγαλύτερη από τη μέση ποσότητα ενέργειας, τα υπόλοιπα μόρια καταλήγουν πιο κρύα. Μόλις η ενέργεια στην κίνησή τους ανακατανεμηθεί μέσω των συγκρούσεων μεταξύ των μορίων, το σύστημα φτάνει σε μια νέα ισορροπία σε χαμηλότερη θερμοκρασία (εικόνα 2).

Η μέθοδος του Kleppner είναι γνωστή ως ψύξη με εξάτμιση και απαιτεί δύο στοιχεία: ένα μέσο για την επιλεκτική απομάκρυνση των πιο καυτών ατόμων από την παγίδα και έναν ρυθμό συγκρούσεων μεταξύ ατόμων που είναι αρκετά υψηλός ώστε το δείγμα να ισορροπήσει εκ νέου στη συνέχεια. Το πρώτο στοιχείο ήρθε χέρι-χέρι με τη λύση στο πρόβλημα της ανάκρουσης των φωτονίων: τα άτομα μπορούν να διατηρηθούν «στο σκοτάδι» μεταφέροντάς τα από μια μαγνητο-οπτική παγίδα (MOT) σε μια καθαρά μαγνητική παγίδα όπως αυτή που έφτιαξε ο Phillips για πρώτη φορά. το 1983. Η υψηλότερη ενέργεια των «καυτών» ατόμων απαιτεί μεγαλύτερο μαγνητικό πεδίο για να τα περιορίσει, και αυτό το μεγάλο μαγνητικό πεδίο παράγει μια μετατόπιση Zeeman στα ενεργειακά επίπεδα των ατόμων. Ένα σωστά συντονισμένο σήμα ραδιοσυχνότητας μπορεί έτσι να μετατρέψει τα «καυτά» άτομα σε αυτό το υψηλό πεδίο σε μη παγιδευμένη κατάσταση χωρίς να ενοχλήσει τα ψυχρότερα. Τα ψυχρότερα άτομα που μένουν πίσω περιορίζονται επίσης σε μικρότερο όγκο, οπότε όσο μειώνεται η θερμοκρασία αυξάνεται η πυκνότητα, φέρνοντας το σύστημα πιο κοντά στο BEC με δύο τρόπους.

Το θέμα της σύγκρουσης, ωστόσο, είναι έξω από τα χέρια των πειραματιστών. Ο σχετικός ρυθμός περιγράφεται από μία μόνο παράμετρο: το λεγόμενο μήκος σκέδασης για ένα ζεύγος συγκρουόμενων ατόμων σε συγκεκριμένες καταστάσεις. Εάν αυτό το μήκος σκέδασης είναι μετρίως μεγάλο και θετικό, η εξάτμιση θα προχωρήσει γρήγορα και το προκύπτον συμπύκνωμα θα είναι σταθερό. Εάν το μήκος σκέδασης είναι πολύ μικρό, η εξάτμιση θα είναι πολύ αργή. Εάν είναι αρνητικό, το συμπύκνωμα θα είναι ασταθές.

Η προφανής λύση είναι να επιλέξετε ένα άτομο με το σωστό μήκος σκέδασης, αλλά αυτή η παράμετρος αποδεικνύεται ότι είναι εξαιρετικά δύσκολο να υπολογιστεί από τις πρώτες αρχές. Πρέπει να προσδιοριστεί εμπειρικά, και στις αρχές της δεκαετίας του 1990 κανείς δεν είχε κάνει τα απαραίτητα πειράματα. Κατά συνέπεια, οι ομάδες που άρχισαν να επιδιώκουν το BEC επέλεξαν διαφορετικά στοιχεία από τον περιοδικό πίνακα, ελπίζοντας η καθεμία ότι τα «δικά τους» μπορεί να αποδειχθούν «σωστά». Wieman και ο νέος συνάδελφός του Έρικ Κορνέλ ακόμη και άλλαξαν από καίσιο σε ρουβίδιο επειδή τα δύο σταθερά ισότοπα του ρουβιδίου διπλασίασαν τις πιθανότητές τους.

«Αυτό δεν θα λειτουργήσει ποτέ»

Επειδή ένα MOT μπορεί να μετατραπεί σε μια καθαρά μαγνητική παγίδα απλά κλείνοντας τα λέιζερ και τρέχοντας περισσότερο ρεύμα μέσα από τα πηνία μαγνήτη, τα πρώτα βήματα προς το BEC ήταν μια απλή επέκταση των πειραμάτων ψύξης με λέιζερ. Η προκύπτουσα διαμόρφωση «τετραπολικής παγίδας» έχει μόνο ένα σημαντικό πρόβλημα: το πεδίο στο κέντρο της παγίδας είναι μηδέν και στο μηδενικό πεδίο, τα άτομα μπορούν να αλλάξουν τις εσωτερικές τους καταστάσεις σε μια που δεν παγιδεύεται πια. Η απόφραξη αυτής της «διαρροής» ατόμων από το κέντρο παγίδας απαιτεί την εύρεση ενός τρόπου για να μην αλλάξουν καταστάσεις τα παγιδευμένα άτομα.

Για αρκετά χρόνια, αυτός ήταν ένας σημαντικός τομέας έρευνας ψύξης με λέιζερ. Εκτός από τον Cornell και τον Wieman, ένας από τους κύριους διεκδικητές στον εντεινόμενο αγώνα BEC ήταν Wolfgang Ketterle του MIT. Η ομάδα του ανέπτυξε έναν τρόπο ώθησης ατόμων μακριά από την περιοχή μηδενικού πεδίου χρησιμοποιώντας ένα μπλε αποσυντονισμένο λέιζερ εστιασμένο στο κέντρο της παγίδας ως «βύσμα». Ο Cornell και ο Wieman, από την πλευρά τους, χρησιμοποίησαν μια εξ ολοκλήρου μαγνητική τεχνική που ονόμασαν παγίδα δυναμικού χρονικής τροχιάς (TOP).

Ο Cornell ανέπτυξε το TOP σε μια πτήση της επιστροφής από ένα συνέδριο στις αρχές του 1994, με κίνητρο εν μέρει την ανάγκη περιορισμού των διαταραχών στη συσκευή τους. Αν και αυτός και ο Wieman δεν είχαν χώρο για άλλη ακτίνα λέιζερ, μπορούσαν να προσθέσουν ένα μικρό επιπλέον πηνίο γύρω από έναν άξονα κάθετο στα πηνία τετραπόλων, και αυτό θα μετατόπιζε τη θέση μηδενικού πεδίου. Τα άτομα στην παγίδα θα κινούνταν προς το νέο μηδέν, φυσικά, αλλά όχι γρήγορα. Αν χρησιμοποιούσαν δύο μικρά πηνία σε διαφορετικούς άξονες που οδηγούνται από ταλαντευόμενα ρεύματα για να μετακινήσουν το μηδέν σε κύκλο μερικές εκατοντάδες φορές το δευτερόλεπτο, αυτό θα μπορούσε να είναι αρκετό για να το κρατήσει, σύμφωνα με τα λόγια του Cornell, «παντού όπου δεν υπάρχουν τα άτομα».

Δοκίμασαν την ιδέα εκείνο το καλοκαίρι, χρησιμοποιώντας ένα μικρό πηνίο που κινείται από έναν φτηνό ενισχυτή ήχου. Στην αρχή, το προστιθέμενο πεδίο έκανε τα πηνία να τυλίγονται γύρω από το γυάλινο κύτταρο ατμού τους να κουδουνίζουν ανησυχητικά και τα κινούμενα πηνία έκαναν ένα διαπεραστικό, ψηλό κλαψούρισμα, αλλά η αρχή ήταν ο ήχος, έτσι έφτιαξαν μια πιο στιβαρή έκδοση. Λίγους μήνες αργότερα, στις αρχές του 1995, ο Cornell συζήτησε τα σχέδια παγίδας με τον Ketterle και έφυγε νομίζοντας ότι το οπτικό βύσμα της ομάδας MIT «δεν θα λειτουργούσε ποτέ. Βασικά θα είναι ένα μεγάλο παλιό ραβδί που δείχνει εκεί μέσα». Ωστόσο, αναγνωρίζει ότι ο Κέτερλ μπορεί να ένιωθε το ίδιο για τους ΚΟΡΥΦΑΙΟΥΣ: «Πιθανότατα σκέφτεται «Αυτή είναι η πιο ηλίθια ιδέα που άκουσα ποτέ σε όλη μου τη ζωή». Έτσι φύγαμε και οι δύο πολύ ικανοποιημένοι από αυτή τη συζήτηση».

Όπως συνέβη, και οι δύο τεχνικές, στην πραγματικότητα, λειτούργησαν. Ο Cornell και ο Wieman ήταν οι πρώτοι που το απέδειξαν, εκτελώντας μια σειρά πειραμάτων στα οποία έλαμψαν μια ακτίνα λέιζερ μέσω του ψυχρού νέφους ατόμων τους. Κατά τη διάρκεια αυτών των «στιγμιότυπων», τα άτομα στο σύννεφο θα απορροφούσαν φωτόνια από το λέιζερ, αφήνοντας μια σκιά στη δέσμη. Το βάθος αυτής της σκιάς ήταν ένα μέτρο της πυκνότητας του νέφους, ενώ το μέγεθος του νέφους έδειχνε τη θερμοκρασία των ατόμων. Καθώς η εξάτμιση προχωρούσε, τα στιγμιότυπα έδειξαν ένα σφαιρικά συμμετρικό νέφος ατόμων που συρρικνώνεται αργά και ψύχεται καθώς τα θερμά άτομα απομακρύνονταν σταδιακά.

Στη συνέχεια, τον Ιούνιο του 1995, σε θερμοκρασία περίπου 170 nanokelvin, συνέβη κάτι δραματικό: μια μικρή σκοτεινή κηλίδα εμφανίστηκε στο κέντρο των εικόνων τους, που αντιπροσωπεύει άτομα σε δραστικά χαμηλότερη θερμοκρασία και υψηλότερη πυκνότητα. Ο Cornell λέει ότι δεν χρειάστηκε πολύς χρόνος για να καταλάβουμε τι συνέβαινε: «Η κεντρική πυκνότητα μόλις ανεβαίνει. Τι συμβαίνει εκεί αν όχι η συμπύκνωση Bose-Einstein;»

Για να επιβεβαιώσουν τις υποψίες τους, αυτός και ο Wieman μετέτρεψαν μερικές από τις σκιώδεις εικόνες τους στις πλέον εικονικές τρισδιάστατες γραφικές παραστάσεις (δείτε την εικόνα «Το πιο ωραίο αποτέλεσμα») που δείχνουν τα θερμικά άτομα ως ένα ευρύ βάθρο και το BEC ως μια «ακίδα» που αναδύεται στο το κέντρο. Το σχήμα της ακίδας - ευρύτερο προς τη μια κατεύθυνση από την άλλη - κωδικοποίησε μια ένδειξη. Επειδή η παγίδα TOP τους ήταν ισχυρότερη στην κατακόρυφη κατεύθυνση από την οριζόντια, το συμπύκνωμα συμπιέστηκε πιο σφιχτά προς αυτή την κατεύθυνση, πράγμα που σημαίνει ότι επεκτάθηκε πιο γρήγορα προς αυτή την κατεύθυνση μετά την απελευθέρωση. Αν και δεν είχαν προβλέψει αυτή την αλλαγή σχήματος, μπόρεσαν γρήγορα να το εξηγήσουν, ενισχύοντας τη σιγουριά τους ότι είχαν φτάσει στο «ιερό δισκοπότηρο» του BEC.

Ο Cornell και ο Wieman ανακοίνωσαν τα αποτελέσματά τους (ασυνήθιστα για εκείνες τις μέρες) σε μια συνέντευξη Τύπου στις αρχές Ιουνίου 1995. Η εργασία τους δημοσιεύτηκε στο Επιστήμη τον επόμενο μήνα. Τον Σεπτέμβριο, ο Ketterle και οι συνεργάτες του δημιούργησαν το δικό τους σύνολο τρισδιάστατων γραφημάτων που δείχνουν μια παρόμοια «ακίδα» να εμφανίζεται καθώς το νέφος των ατόμων νατρίου τους έφτασε στη θερμοκρασία μετάβασης. Οι Cornell, Wieman και Ketterle συνέχισαν να το μοιράζονται 2001 Βραβείο Νόμπελ Φυσικής για την επίτευξη BEC σε αραιούς ατομικούς ατμούς.

Οι Fermions παίρνουν τον πρωταθλητή τους

Τους πρώτους μήνες του 1995, ο Cornell προσέλαβε έναν νέο μεταδιδακτορικό, Deborah "Debbie" Jin. Ο σύζυγός της John Bohn, ένας φυσικός στο NIST στο Boulder, θυμάται τον Cornell να λέει: «Πολλοί άνθρωποι θα σας πουν ότι το BEC είναι ακόμα χρόνια μακριά, αλλά πραγματικά πιστεύω ότι θα το κάνουμε». Είχε δίκιο: το πρώτο BEC συνέβη από τη στιγμή που η Jin συμφώνησε να αναλάβει τη δουλειά και όταν εκείνη άρχισε να δουλεύει.

Η Jin προερχόταν από διαφορετική ερευνητική κοινότητα –η διατριβή της αφορούσε τους εξωτικούς υπεραγωγούς– αλλά γρήγορα έμαθε για τα λέιζερ και την οπτική και έπαιξε βασικό ρόλο στα πρώτα πειράματα που διερεύνησαν τις ιδιότητες του BEC. Ως ανερχόμενο αστέρι, είχε πολλές προσφορές για μόνιμη θέση, αλλά επέλεξε να παραμείνει στο JILA, ένα υβριδικό ίδρυμα που συνδυάζει την τεχνογνωσία από το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο και το NIST. Εκεί, για να ξεχωρίσει τη δουλειά της από αυτή των Cornell και Wieman, αποφάσισε να ακολουθήσει την άλλη κατηγορία συμπεριφοράς σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες: τα εκφυλισμένα αέρια Fermi.

Όπου τα μποζόνια διέπονται από στατιστικούς κανόνες που καθιστούν πιο πιθανό δύο από αυτά να βρίσκονται στην ίδια ενεργειακή κατάσταση, τα φερμιόνια απαγορεύεται απολύτως να μοιράζονται καταστάσεις. Εφαρμόζεται στα ηλεκτρόνια, αυτή είναι η αρχή αποκλεισμού Pauli που εξηγεί μεγάλο μέρος της χημείας: τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο «γεμίζουν» τις διαθέσιμες ενεργειακές καταστάσεις και η ακριβής κατάσταση των τελευταίων ηλεκτρονίων καθορίζει τις χημικές ιδιότητες ενός δεδομένου στοιχείου. Τα φερμιονικά άτομα σε μια μαγνητική παγίδα υπακούουν σε έναν παρόμοιο κανόνα: καθώς το αέριο ψύχεται, οι χαμηλότερες καταστάσεις γεμίζουν. Σε κάποιο σημείο, όμως, όλες οι καταστάσεις χαμηλής ενέργειας είναι γεμάτες και το σύννεφο δεν μπορεί να συρρικνωθεί περαιτέρω. Όπως και με το BEC, αυτό είναι ένα καθαρά κβαντικό φαινόμενο, που δεν έχει καμία σχέση με τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων, επομένως θα πρέπει να είναι παρατηρήσιμο σε ένα αέριο με υπερψυχρά άτομα.

Ο Jin ξεκίνησε στο JILA το 1997 με έναν μόνο μεταπτυχιακό φοιτητή, Μπράιαν ΝτεΜάρκο, ο οποίος είχε προσληφθεί από τον Cornell αλλά άλλαξε να συνεργαστεί με τον Jin μετά από σύσταση του Cornell. Όπως θυμάται ο DeMarco, ο Cornell του είπε: "Αν εσύ και η Debbie μπορείτε να είστε οι πρώτοι άνθρωποι που θα φτιάξουν ένα DFG, θα είναι μεγάλη υπόθεση και υπάρχει μια καλή ευκαιρία να το κάνετε."

Το ζευγάρι ξεκίνησε με ένα άδειο εργαστήριο, χωρίς έπιπλα. Ο Μπον τους θυμάται να κάθονται στο πάτωμα στο γραφείο που μοιραζόταν με τον Τζιν, συναρμολογώντας ηλεκτρονικά για τα μελλοντικά τους λέιζερ. Ωστόσο, μέσα σε ένα χρόνο, είχαν μια συσκευή εργασίας για μαγνητική παγίδευση και ψύξη με εξάτμιση φερμιονικών ατόμων καλίου.

Η αναζήτηση για ένα DFG θέτει δύο προκλήσεις πέρα ​​από αυτές που αντιμετωπίστηκαν στον αγώνα BEC. Το πρώτο από αυτά είναι ότι σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, οι συγκρούσεις που απαιτούνται για το βήμα επανεξισορρόπησης της ψύξης με εξάτμιση σταματούν να συμβαίνουν επειδή η απαγόρευση δύο φερμιονίων να βρίσκονται στην ίδια κατάσταση τα εμποδίζει να συγκρούονται. Για να το λύσουν αυτό, ο Jin και ο DeMarco τοποθέτησαν τα μισά άτομα τους σε διαφορετική εσωτερική κατάσταση, παρέχοντας αρκετές συγκρούσεις μεταξύ των καταστάσεων για να καταστεί δυνατή η εξάτμιση. Στο τέλος της διαδικασίας, θα μπορούσαν να αφαιρέσουν μία από τις δύο καταστάσεις και να απεικονίσουν τις υπόλοιπες.

Το δεύτερο ζήτημα είναι ότι ενώ η πειραματική υπογραφή του BEC είναι μια γιγάντια ακίδα πυκνότητας στη μέση του ατομικού νέφους, ο εκφυλισμός Fermi είναι πιο διακριτικός. Το βασικό φαινόμενο των ατόμων που αρνούνται να συσσωρευτούν μαζί εκδηλώνεται αδραματικά με τη μορφή του νέφους που παύει να συρρικνώνεται περαιτέρω μόλις επιτευχθεί η θερμοκρασία μετάβασης. Η επεξεργασία του τρόπου διάκρισης του εκφυλισμένου αερίου από το θερμικό νέφος χρειάστηκε προσεκτική μοντελοποίηση και ένα σύστημα απεικόνισης που θα μπορούσε να μετρήσει αξιόπιστα τις μικροσκοπικές αλλαγές στο σχήμα της κατανομής.

Ένα αέριο Fermi ατόμων

Παρά αυτές τις προκλήσεις, μόλις 18 μήνες αφότου ξεκίνησαν με ένα άδειο δωμάτιο, ο Jin και ο DeMarco δημοσίευσαν την πρώτη παρατήρηση ενός εκφυλισμένου αερίου Fermi. Λίγα χρόνια αργότερα, ομάδες με επικεφαλής τον Ketterle, Randy Hulet στο Πανεπιστήμιο Rice, Christophe Salomon στην ENS στο Παρίσι, και John Thomas στο Πανεπιστήμιο Duke, ακολούθησε.

Ο Τζιν, εν τω μεταξύ, συνέχισε να χρησιμοποιεί λέιζερ και μαγνητικά πεδία για να μετατρέψει τα εκφυλισμένα άτομα σε μόρια, ανοίγοντας νέα σύνορα στην υπερψυχρή χημεία. Αυτό το έργο προσέλκυσε πολλές διακρίσεις, συμπεριλαμβανομένου του α «επιχορήγηση ιδιοφυΐας» του Ιδρύματος MacArthur, τη Βραβείο I I Rabi από την American Physical Society (APS) και το Μετάλλιο Isaac Newton του Ινστιτούτου Φυσικής. Η Jin θα συμμετείχε επίσης σε ένα ακόμη βραβείο Νόμπελ στη φυσική με υπερψυχρά άτομα, αλλά δυστυχώς, πέθανε από καρκίνο το 2016, και το βραβείο δεν απονέμεται μετά θάνατον.

Πέρα από τα βραβεία, όμως, η κληρονομιά του Jin είναι σημαντική. Ο υποτομέας που ξεκίνησε έχει εξελιχθεί σε έναν από τους πιο σημαντικούς τομείς της ατομικής φυσικής και οι πρώην μαθητές και συνάδελφοί της συνεχίζουν να ηγούνται της μελέτης των υπερψυχρά φερμιόνια. Σε αναγνώριση της δέσμευσής της στην καθοδήγηση, το APS δημιούργησε ένα ετήσιο Βραβείο Deborah Jin για την Εξαιρετική Έρευνα Διδακτορικής Διατριβής στην Ατομική, Μοριακή ή Οπτική Φυσική.

Μια ιστορία συνεχιζόμενης ανακάλυψης

Αυτή η σειρά καλύπτει λίγο περισσότερο από μισό αιώνα. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η ιδέα της χρήσης λέιζερ για τον χειρισμό των ατόμων μετατράπηκε από μια αδρανής περιέργεια στο μυαλό ενός και μόνο φυσικού της Bell Labs σε μια θεμελιώδη τεχνική για ένα τεράστιο κομμάτι της φυσικής αιχμής. Τα ιόντα που ψύχονται με λέιζερ είναι πλέον μια από τις πιο σημαντικές πλατφόρμες για την ανάπτυξη της κβαντικής επιστήμης της πληροφορίας. Τα ουδέτερα άτομα που ψύχονται με λέιζερ παρέχουν τη βάση για τα καλύτερα ατομικά ρολόγια στον κόσμο. Και τα κβαντικά εκφυλισμένα συστήματα που παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά από τους Cornell, Wieman, Ketterle και Jin δημιούργησαν ένα τεράστιο υποπεδίο που συνδέει την ατομική φυσική με τη φυσική και τη χημεία της συμπυκνωμένης ύλης. Τα ψυχόμενα με λέιζερ άτομα συνεχίζουν να είναι ζωτικής σημασίας για την έρευνα της φυσικής και νέα ιστορία γράφεται καθημερινά σε εργαστήρια σε όλο τον κόσμο.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/coldest-how-a-letter-to-einstein-and-advances-in-laser-cooling-technology-led-physicists-to-new-quantum-states-of-matter/