English
Swedish

15 oktober 1997

Kungl. Vetenskapsakademien har beslutat att utdela 1997 års Nobelpris i fysik gemensamt till

Professor Steven Chu, Stanford University, Stanford, Kalifornien, USA,

Professor Claude Cohen-Tannoudji, Collège de France och École Normale Supérieure, Paris, Frankrike, och

Dr. William D. Phillips, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland, USA,

för utveckling av metoder att kyla och infånga atomer med laserljus.

Atomer svävar i optisk sirap

Vid rumstemperatur rör sig luftens atomer och molekyler åt olika håll med en svindlande hastighet på ungefär 4 000 km/tim. Det är svårt att studera atomerna och molekylerna bl.a. därför att de alltför snabbt försvinner ut ur observationsområdet. Genom att sänka temperaturen kan man få hastigheten att avta, men problemet är att då gaser kyls ner kommer de som regel att först kondenseras till vätskor och sedan frysa till fast form. I vätskor och fasta kroppar försvåras studiet av att de enskilda atomerna och molekylerna kommer för nära varandra. Om emellertid processen sker i vakuum kan tätheten hållas tillräckligt låg för att undvika vätskebildning och frysning. Men även en så låg temperatur som -270°C ger upphov till hastigheter omkring 400 km/tim. Först då man närmar sig den absoluta nollpunkten (-273°C) minskar hastigheten kraftigt. När temperaturen är en miljondels grad från denna punkt (betecknas 1 µK, mikrokelvin), rör sig t.ex. fria väteatomer med hastigheter som är mindre än 1 km/tim (= 25 cm/s).

Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji och William D. Phillips har utvecklat metoder att med laserljus kyla gaser till temperaturområdet µK och hålla de kylda atomerna svävande eller infångade i olika slags s.k. atomfällor. Laserljuset fungerar som en trögflytande vätska, som benämns optisk sirap, i vilken atomerna bromsas upp. De enskilda atomerna kan här studeras med mycket hög noggrannhet och deras inre struktur kan klarläggas. Då fler och fler atomer fångas i samma volym bildas en tunn gas, vars egenskaper kan studeras i detalj. De nya undersökningsmetoder som pristagarna utvecklat har starkt bidragit till att öka vår kunskap om växelspelet mellan strålning och materia. Speciellt har de öppnat vägen till en fördjupad förståelse av gasers kvantfysikaliska uppförande vid låga temperaturer. Deras metoder kan bl.a. leda till konstruktion av mer precisa atomklockor, vilka t.ex. kan användas vid rymdnavigering och noggrann positionsbestämning. Även atominterferometrar, med vilka man bl.a. kan göra mycket precisa mätningar av gravitationskraften, och atomlasrar, som kan komma att användas vid tillverkning av mycket små elektroniska komponenter, har nu börjat konstrueras.

Atombromsning med fotoner
Ljus kan beskrivas som en ström av partiklar, fotoner. Fotonerna saknar massa i vanlig bemärkelse, men precis som en curlingsten som glider på is har de en viss rörelsemängd. En curlingsten som krockar med en identisk sten kan överföra hela sin rörelsemängd (massa gånger hastighet) till denna och alltså själv bli stillastående. På liknande sätt kan en foton som “krockar” med en atom överföra hela sin rörelsemängd till atomen. För att detta skall kunna ske måste fotonen ha rätt energi, vilket är detsamma som att ljuset måste ha rätt frekvens eller färg. Fotonens energi är nämligen proportionell mot ljusets frekvens, som i sin tur avgör ljusets färg. Sålunda består rött ljus av fotoner med lägre energi än fotonerna i blått ljus.

Vilken energi fotonerna bör ha för att påverka atomer bestäms av atomernas inre struktur (energinivåer). Om en atom rör på sig ändras förhållandet på grund av den s.k. Dopplereffekten. (Det är denna effekt som gör att en tågvissla hörs med högre frekvens om tåget närmar sig än om det står stilla.) Om atomen rör sig mot ljuset måste detta ha lägre frekvens än den frekvens som krävs för en stillastående atom för att kunna “höras” av atomen. Antag att atomen rör sig mot ljuset med avsevärd hastighet och träffas av en ström av fotoner. Om fotonerna har den rätta energin kommer atomen att kunna absorbera en av dem och dels överta hela dess energi, dels dess rörelsemängd. Atomen kommer då att bromsas upp något. Efter en mycket kort tid, vanligtvis omkring en hundradels miljondels sekund, lämnar den nedbromsade atomen ifrån sig (emitterar) en foton. Därefter kan atomen genast absorbera en ny foton från den motriktade strömmen. Fotonen som avges har också en rörelsemängd som ger atomen en viss liten rekylhastighet. Men rekylens riktning varierar slumpmässigt, så att efter många absorptioner och emissioner har atomens hastighet minskat avsevärt. För att bromsa en atom behövs en intensiv laserstråle. Under rätta betingelser kan man uppnå uppbromsningar med en styrka svarande mot den man får om man kastar en boll uppåt från ytan av en planet med 100 000 gånger starkare tyngdkraft än på jorden!

Dopplerkylning och optisk sirap
Bromsningen som beskrivits ovan ligger till grund för en kraftfull metod att kyla atomer med laserljus. Denna utvecklades omkring 1985 av Steven Chu och medarbetare vid Bell Laboratories i Holmdel, New Jersey. De använde sex laserstrålar som var parvis motriktade och arrangerade i tre vinkelräta riktningar. Natriumatomer från en atomstråle i vakuum bromsades först upp av en motriktad laserstråle och leddes sedan in i skärningen mellan de sex kyllaserstrålarna. Alla sex strålarna hade sitt ljus något rödskiftat i jämförelse med den karakteristiska färg som en stillastående natriumatom absorberar. Effekten blev att åt vilket håll natriumatomerna än försökte röra sig möttes de av fotoner av den rätta energin och knuffades tillbaks till laserstrålarnas skärningsområde. Där bildades något som för ögat såg ut som ett lysande moln stort som en ärta bestående av cirka en miljon nerkylda atomer. Denna typ av kylning fick namnet Dopplerkylning.

I laserstrålarnas skärningsområde rör sig atomerna som i sirap och namnet optisk sirap myntades. För att beräkna temperaturen hos atomerna som kylts i den optiska sirapen stängdes lasrarna av. Det befanns att temperaturen var omkring 240 µK. Detta svarar mot en hastighet hos natriumatomerna på cirka 30 cm/s och stämde mycket väl överens med en teoretiskt beräknad temperatur, den s.k. Dopplergränsen, vilken då ansågs vara den lägsta temperatur, som kunde uppnås med Dopplerkylning.

Atomerna i det ovan beskrivna experimentet är kylda, men inte fångade. Tyngdkraften gör att de faller ur den optiska sirapen på ungefär en sekund. För att verkligen fånga atomerna behövs en fälla. En högeffektiv sådan konstruerades 1987. Konstruktionen kallades magnetooptisk fälla (MOT). Den använder sex laserstrålar i samma sorts uppställning som i det ovan beskrivna experimentet, men har dessutom två magnetspolar som ger ett svagt varierande magnetfält med ett minimum i laserstrålarnas skärningsområde. Genom att magnetfältet påverkar atomernas karakteristiska energier (s.k. Zeemaneffekt) kommer det att uppstå en kraft som är starkare än tyngdkraften och därför drar atomerna in mot fällans centrum. Atomerna är nu verkligen fångade och kan studeras eller användas för experiment.

Dopplergränsen underskrids
Magnetiska fält hade utnyttjats redan under 1980-talets början av William D. Phillips och medarbetare i en metod att bromsa och helt stoppa atomerna i långsamma atomstrålar. Phillips hade utvecklat en s.k. Zeemanbromsare, en spole med ett varierande magnetfält längs vars axel atomer kunde bromsas upp av en motriktad laserstråle. Med sin uppbromsningsanordning hade Phillips 1985 stoppat och fångat natriumatomer i en rent magnetisk fälla. Inneslutningen i denna fälla är dock förhållandevis svag. Därför måste atomerna vara ytterst kalla för att stanna kvar. När så Chu lyckades kyla ner atomer i optisk sirap konstruerade Phillips ett liknande experiment och började systematiskt studera temperaturen hos atomerna i den optiska sirapen. Han utvecklade flera nya metoder att mäta temperaturen, bl.a. en där atomerna får falla under inverkan av tyngdkraften och där deras fallkurvor bestäms med hjälp av en mätlaser.

Phillips fann 1988 att en temperatur så låg som 40 µK kunde uppnås. Detta värde underskred den teoretiskt beräknade Dopplergränsen sex gånger! Det visade sig att Dopplergränsen beräknats för en förenklad modellatom som de flesta tidigare ansett vara tillräckligt realistisk. Dock hade Claude Cohen-Tannoudji och medarbetare vid École Normale Supérieure i Paris i teoretiska arbeten redan studerat mer komplicerade kylscheman. Förklaringen till Phillips resultat låg i den struktur som natriumatomens lägsta energinivåer har. Man kan likna det som händer med att rulla en sten uppför en backe för att, just som man når krönet, finna att nedförsbacken på andra sidan omvandlats till en uppförsbacke. Denna liknelse har gjort att processen har getts namnet Sisyfoskylning.

Den rekylhastighet en atom får då den emitterar en enda foton svarar mot en temperatur som kallas rekylgränsen. För natriumatomer är rekylgränsen 2,4 µK och för de något tyngre cesiumatomerna är den omkring 0,2 µK. I samarbete med Cohen-Tannoudji och hans medarbetare i Paris visade Phillips att cesiumatomer kunde kylas i optisk sirap till cirka tio gånger rekylgränsen, d.v.s. till omkring 2 µK. Det verkade först som om man generellt i optisk sirap bara kunde nå cirka tio gånger högre temperatur än rekylgränsen. I en senare utveckling har både Phillips och Parisgruppen visat att man genom lämpliga inställningar av lasrarna kan fånga atomerna så att de anhopas i regelbundna avstånd i rymden, ett s.k. optiskt gitter. Atomanhopningarna i gittret sker på en ljusvåglängds avstånd från varandra. Atomer som sitter i ett optiskt gitter kunde kylas till cirka fem gånger högre temperatur än rekylgränsen.

Även rekylgränsen underskrids
Anledningen till att den rekylhastighet en atom får av en enda foton sätter en temperaturgräns för både Dopplerkylning och Sisyfoskylning är att även de långsammaste atomerna hela tiden tvingas absorbera och emittera fotoner. Dessa processer ger atomerna en liten men ej försumbar hastighet och därmed får gasen en temperatur. Om de långsammaste atomerna kunde göras okänsliga för den optiska sirapens alla fotoner kunde kanske lägre temperaturer uppnås. En mekanism genom vilken en stillastående atom kan fås att inta ett s.k. mörkt tillstånd, i vilket atomen inte absorberar fotoner, var känd. Men en svårighet var att kombinera denna mekanism med laserkylningen.

Claude Cohen-Tannoudji och hans grupp har under tiden 1988-95 utvecklat en metod som bygger på ett utnyttjande av Dopplereffekten och som överför de långsammaste atomerna till ett mörkt tillstånd. Han och hans medarbetare har visat att metoden fungerar i en, två och tre dimensioner. Alla experimenten utnyttjar heliumatomer, för vilka rekylgränsen är 4 µK. I det första experimentet utnyttjade man två motriktade laserstrålar och uppnådde en en-dimensionell hastighetsfördelning som svarar mot halva rekylgränsens temperatur. Med fyra laserstrålar kunde en två-dimensionell hastighetsfördelning visas svara mot temperaturen 0,25 µK, 16 gånger lägre än rekylgränsen. Slutligen kunde man med sex laserstrålar uppnå att hela hastighetsfördelningen motsvaras av en temperatur på 0,18 µK. I denna temperatur kryper heliumatomerna fram med en hastighet av bara cirka 2 cm/s!

Tillämpningar runt hörnet
Det pågår ett intensivt utvecklingsarbete kring laserkylning och infångning av neutrala atomer. Bl.a. har Chu konstruerat en atomär fontän, i vilken laserkylda atomer likt vattenstrålar sprutas uppåt ur en fälla. När atomerna vänder vid toppen av sin bana och börjar falla ner igen är de nästan stillastående. Där utsätts de för mikrovågspulser, vilka känner av atomernas inre struktur. Med denna teknik tror man sig kunna konstruera atomur med 100 gånger bättre precision än dagens. Den i år prisbelönade tekniken ligger också till grund för upptäckten av Bose-Einsteinkondensation i atomära gaser, ett fenomen som tilldragit sig stort intresse.

Steven Chu är född 1948 i St. Louis, Missouri, USA. Amerikansk medborgare. Doktorsgrad i fysik 1976 vid University of California, Berkeley. Theodore and Frances Geballe Professor of Humanities and Sciences vid Stanford University 1990. Chu har bl.a. erhållit King Faisal International Prize for Science (Physics) 1993 för utveckling av tekniken att laserkyla och fånga atomer.

Professor Steven Chu
Physics Department
Stanford University
Stanford, CA 94305
USA

Claude Cohen-Tannoudji är född 1933 i Constantine, Algeriet. Fransk medborgare. Doktorsgrad i fysik 1962 vid École Normale Supérieure i Paris. Professor vid Collège de France 1973. Ledamot av bl.a. Acadèmie des Sciences (Paris). Bland många priser och utmärkelser har Cohen-Tannoudji erhållit Quantum Electronics Prize (European Physical Society) 1996 för bl.a. sina banbrytande experiment rörande laserkylning och infångning av atomer.

Professor Claude Cohen-Tannoudji
Laboratoire de Physique de École Normale Supérieure
24, rue Lhomond
F-75231 Paris Cedex 05
Frankrike

William D. Phillips är född 1948 i Wilkes-Barre, Pennsylvania, USA. Amerikansk medborgare. Doktorsgrad i fysik 1976 vid Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA. Phillips har bl.a. erhållit Albert A. Michelson Medal (Franklin Institute) 1996 för sina experimentella demonstrationer av laserkylning och infångning av atomer.

Dr. William D. Phillips
National Institute of Standards and Technology
Gaithersburg, MD 20899
USA