冷冻的原子会使科学机会升温
小大厅地下室里的一堆原子比外太空冷一百万倍。它是宇宙中最冷的地方之一，但还不够冷。然而。
赛斯·奥宾对这些微小粒子有很大的计划。奥宾是威廉与玛丽学院的物理学助理教授，他领导的一个小组正在对一种将原子冷却到接近绝对零度的装置进行最后的润色。在如此极冷的温度下，原子的量子性质占据了主导地位，它们开始遵循一套完全不同于室温下原子的物理定律——这是艾萨克·牛顿做梦也没想到的定律。
奥宾解释说，根据经典的牛顿物理学，原子通常会四处运动，就像苹果从树上掉下来或台球在台球桌上相撞一样。然而，在某些极端条件下——在这种情况下是冷——牛顿定律就不成立了，物理行为只能用量子力学来描述。他说，在极端温度条件下，原子开始“表现得不像台球，而更像波”。
奥宾计划利用超冷原子的非牛顿性质来研究量子物理学中的基本问题。但是，要让Aubin的原子进入量子状态，它们需要足够冷。具体来说，原子需要达到100纳开尔文的量级，也就是千亿分之一开尔文，才能表现出想要的波状特性。为了更好地理解这个数字，0开尔文就是绝对零度；理论上任何东西都不可能比绝对零度更冷。水在273开尔文结冰。外太空的温度大约是3开尔文。
“它们很冷，”奥宾说，他描述了佳博体育目前4微开尔文的记录温度。“但不幸的是，这对我们来说还不够好。在这样的温度下，原子的行为仍然像台球。如果你能降到100纳开尔文，基本上比现在的温度低1000倍，这些粒子就会变成量子。”“在高温下，原子都有不同的速度，”奥宾解释说。“但是，一旦你足够冷，它们就会聚集在一起。他们说，‘就是这样，我们不需要与众不同。我们都是一样的。’”奥宾解释说，在相位中振荡的原子是根据量子力学的定律而运动的。
乘风破浪
由于原子非常小，Aubin使用激光生成的图像来监控整个冷却过程中的原子。在佳博体育的电脑显示器上，一个由大约1亿个原子组成的团块呈现出红色的球状斑点。“它总是从圆开始，”奥宾说。“当你变冷时，它会变小，但会保持圆形。当它们完全变成量子态时，它们就不再是圆的了。它们变得很长。这种长条形是它们波浪性质的特征。而不是一个斑点，你实际上得到了一大堆均匀间隔的斑点——本质上是一个波。”
从牛顿理论到量子理论的过渡需要科学和工程的共同努力。在奥宾的研究佳博体育里，你首先注意到的是分散在两个大光学台上的镜子和透镜，它们看起来杂乱无章。然而，奥宾解释说，光学元件的组装绝不是随机的：“每当我的家人或朋友来拜访时，他们都会说，‘塞斯，你的桌子太乱了。你为什么不把这些东西都清理干净？但是，说真的，如果其中任何一个移动了10到100微米，它就不起作用了。”这些反射镜和透镜集中并引导负责初始冷却阶段的激光。奥宾承认，用激光作为冷却装置似乎有悖直觉。“的确，如果你向某物发射激光，它会变热，”奥宾证实道。然而，从熵（系统秩序的热力学度量）的角度来看，激光是极冷的。
“激光是由光子组成的，光子是光的粒子，所有的粒子都是相同的，”奥宾解释说。在相同的方向、偏振和波长下，激光的光子在相位上振荡。“这是非常有序的，”奥宾说，“没有比这更有序的了。所以，激光实际上非常冷。”
在最初的冷却阶段，几百万个铷-87原子被6束定向调谐的激光束轰击。原子的温度与它的动能成正比，动能是它的速度的量度：当一个原子受到合适波长（“颜色”）的光子轰击时，它会失去速度，因此，它也会失去能量，温度会降低。
“我们可以在几毫秒内将原子从室温降至零，”奥宾说。“这是一个非常大的减速。以及大规模的冷却。”
当原子变成量子态时，它们被认为存在于一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚物（BEC）的状态。在激光冷却后，温度通常在10到100微开尔文之间，但是，这些原子仍然没有达到BEC。进一步冷却原子——从微开尔文到纳米开尔文——需要一些额外的电磁跳跃。
随着春天的到来，奥宾和他的佳博体育正试图通过第二阶段的冷却，让原子从低温到超低温，并进入玻色-爱因斯坦凝聚态。从百万分之一度到十亿分之一度并不是微不足道的。
“当我进入这个行业时，我想，‘你知道，100微开尔文和100纳开尔文，差别是一样的。你只是加了几个0。你已经很接近绝对零度了。有什么区别吗？’”奥宾说。“实际上，这有很大的不同。”
装瓶原子
冷却的第二阶段包括将原子移动到磁性瓶中。奥宾解释说：“在磁性瓶中，原子实际上悬浮在太空中。”“原子被困住了，被磁力限制住了。”在磁瓶内，原子会聚集在氮化铝芯片上。这个芯片，大约是一个微芯片的大小，作为第二个冷却阶段的位置，在这个阶段，原子被一束射频无线电波击中。
芯片会产生一个井状的磁阱。能量最高（因此也最温暖）的原子在井的顶部相互挤来挤去，而温度较低的原子则几乎一动不动地坐在井的底部。一束射频可以去除最温暖的原子。奥宾佳博体育的研究生奥斯汀·兹兹解释说：“这就像你把咖啡上的蒸汽吹掉让它冷却一样，你把最热的咖啡分子吹走了。”“通过添加一些RF，你可以使最热的原子从陷阱中翻转出来。除掉最热的那些，这些藏品的平均温度就会更低。”
随着佳博体育从低温到超低温的进展，他们正在进行大量的测量和实验。
“我们正在用物理学来描述这个系统。我们在测量温度；我们在测量原子的密度。我们有很多“小实验”。“我们正准备做一个非线性光学实验，我们也有磁强计，测量磁场，”奥宾说。“这些实验不是主要焦点；它们是一些小东西，可以帮助我们将系统调整到适当的工作状态，这样我们就可以精细地调整机器。”
一旦佳博体育达到BEC，奥宾和他的同事们就可以研究原子的量子波行为，他计划了一系列实验。名列前茅的是原子激光器。
“原子激光听起来不那么不可思议，但它们非常有用。就像激光中的光子都有相同的波长、相同的偏振、相同的方向一样，原子在BEC中也会做同样的事情，”奥宾解释说。“BEC就像原子的激光。”原子激光器比传统的光激光器更强大。因为原子有质量，所以原子激光器的波长要短得多。
他指出，原子激光器在解决物理领域的实际问题的同时，也将推进理论研究。奥宾有兴趣制造一种原子激光干涉仪来研究卡西米尔-波尔德力，一种在原子尺度上引起表面和原子之间相互吸引的力。这种力量太小了，我们在日常生活中注意不到；然而，一旦你进入单个原子的微环境，表面力比重力更强大。卡西米尔-波德力在纳米技术应用中尤其成问题。
“当你制造这些微机械装置时，表面力占主导地位，”奥宾解释说。“这是最强大的力量。事实上，这些微型机械装置通常会粘在一起，然后就不起作用了。理解和描述这种力量是一件大事。”
模拟组件
原子激光器也提供了模拟固态系统的新方法。电阻器、晶体管、超导体、微芯片或任何固态系统都是由电子流过的固体晶体组成的。晶体中含有影响电子流动的固有杂质。奥宾计划用激光制造完美的晶格，BEC原子模拟电子在晶格中流动。
“通过使用原子而不是电子，原子更容易被看到，也更容易被操纵，”从事冷原子项目的博士生梅根·艾佛里解释说。而且，她补充说，使用由光制成的格子可以控制系统的质量。
“它不会为你制造一个新设备，”奥宾强调。“如果你想要一个单电子晶体管，或者一个一维量子线，你需要一些基于电子的东西，但这个模拟可以做的是让你更好地理解发生了什么。你可以测试你所有的理论。从理论的角度来看，它将帮助我们理解真正的量子尺度电子学是如何工作的。”
原子干涉测量和实验固态模拟只是威廉和玛丽将用超冷原子做的两件令人兴奋的事情。但首先，原子需要进入玻色-爱因斯坦凝聚。奥宾希望他的佳博体育能在2011年秋季学期开始前完成BEC考试。奥宾说：“我们的想法是，如果一切顺利，我们应该在今年夏天的某个时候举行BEC考试。”“而且，如果事情按照我们的方式发展，可能会更快。”