利用超冷原子寻找大规模杀伤性武器
高科技与低科技相遇：
在威廉与玛丽的超冷原子、分子和光学（AMO）物理佳博体育里，需要一台低质量的相机才能看到正在进行的高科技原子实验。这台手机相机能够发现冷却原子的散射。Adrienne Berard摄
与团队见面：
从左至右：威廉玛丽大学物理学副教授Seth Aubin、研究员Doug Beringer、Daniel Rodriguez、乔治梅森大学VMEC暑期学者、博士候选人Andrew Rotunno、Kami Sullivan和博士候选人dushuangli。礼貌的照片
看见看不见的：
威廉玛丽大学的博士生杜双丽（左）和工作人员道格·贝林格博士是一个团队的成员，他们正在开发一种设备，该设备使用超冷原子来发现地球引力场的扭曲，并用物质代替光来“看到”。Adrienne Berard摄
这都是关于光学的：
威廉玛丽学院的物理学副教授赛斯·奥宾（Seth Aubin）站在一张桌子前，桌子上摆满了透镜、镜子和其他光学设备，他的团队用这些设备操纵光来冷却铷和钾原子。Adrienne Berard摄
“基本上，我们这样做是为了让你看到你看不到的东西，”威廉与玛丽学院的物理学副教授赛斯·奥宾（Seth Aubin）说。
奥宾最近获得了美国国防部国防威胁减少局的拨款，用于开发一种新型仪器，能够探测隐藏的大规模杀伤性武器基础设施。
“该机构对寻找地下工厂或导弹发射井之类的东西特别感兴趣，”奥宾说，“但你也可以用它来发现潜艇，甚至发现走私隧道和洞穴。”
奥宾说，为了看到看不见的东西，我们首先必须重新考虑“看”的意义。人眼被设计用来处理光——或者，当你谈论粒子物理学时，光子。奥宾解释说，当我们把某些东西称为“可见”时，它通常意味着从那个东西反射回来的光子以我们的眼睛可以处理的波长移动，因此可以看到。
但是，如果我们改变对“看”的解释，以解释光以外的东西，会发生什么呢？奥宾的目标就是：找到那些光看不见，但质量看得到的东西。
奥宾和他的团队（20岁的班尼特·阿特沃特，22岁的汉陶·“托尼”·余，博士候选人安德鲁·罗图诺和杜双丽，以及工作人员科学家道格·贝林格）正在开发一种设备，该设备使用超冷原子来发现地球引力场的扭曲，并使用物质而不是光来“看到”。
“光子对重力不那么敏感，”奥宾说。“对重力敏感的东西是有质量的东西。它越重，就越敏感，原子比光子重得多。”
这个想法是模仿光学干涉测量的过程，一种通过监测光波长产生的建设性和破坏性干涉来进行精确测量的方法。这是一个由全球科学家组成的团队，包括 威廉玛丽公司的几家美国科学家首次探测到引力波，这是一项值得获得诺贝尔奖的成就。
“基本上，你让一束光沿着两条路径走，”奥宾说。“一条路径会更接近某物，它的路径会被重力扭曲。当光束重新组合时，你读出相位差，它可以告诉你很多外面的情况。我们也在做同样的事情，只不过用的是原子而不是光子。”
如果我们离开牛顿物理学的舒适世界，进入量子力学的领域，这是完全有道理的。在量子力学中，质量和能量是可以互换的，所有物质在原子水平上都像波一样运动。
“我们的想法是用这种方法来测量地球引力场到一个疯狂的精度，让我们说十亿分之一，”奥宾说。这意味着你测量的是一个九位数长的数字。所有的信息都在最后一位。最后一个数字告诉你引力场的变化。导致其变化的是质量，缺失的质量，如隧道或洞穴，或额外的质量，如石油、铁或铀矿石。”
事实证明，如果你想要得到非常精确的结果，你首先得让它变得非常冷。佳博体育将原子冷却到大约1微开尔文的温度，接近绝对零度，这是理论上可能的最低温度。事实上，研究人员使用宇宙中最冷的物体——玻色-爱因斯坦凝聚物来校准他们的仪器。
“我们这么冷的原因之一是，你不必去寻找量子力学，它会来找你，”奥宾说。“物质开始表现得像波一样，不管你喜欢与否。”
目前，该团队正在研究超冷的铷和钾原子，使用一组精心定位的激光器对它们进行冷却。近一半的佳博体育空间用于放置镜头、镜子和其他光学设备的桌子。它们的方向都是为了产生完美的激光束，通过光纤电缆将激光束传输到原子攻击区域。
“当你第一眼看到它时，它看起来像一个巨大的烂摊子，”站在光学桌旁边的奥宾说。“它不乱，组织得很好。对于这里的大部分元素，如果你把它们移动10到100微米，就什么都不起作用了。”
奥宾把激光光子比作雪球。雪球内部是冷的，但当它朝你的方向滚过去，碰到你的皮肤时，感觉很热。这是因为雪球有很大的动能。激光束中的光子也有很多能量，而且像雪球一样，内部是冷的。
奥宾说：“激光光子的能量非常大，所以如果你在如何与激光相互作用方面不够聪明，它就会变热。但如果你在如何与它相互作用方面很聪明，你实际上会把光子的寒冷转移到别的东西上，在这种情况下，就是我们的原子。”
一旦原子被冷却，它们就被保存在一个陷阱里，然后被转移到一个平方英寸的微芯片上，微芯片支持微波磁场。该领域的工作将使原子沿着两条不同的路径移动，然后再将它们聚集在一起，因此研究人员将测量原子的波长，以进行建设性或破坏性的干涉。
“芯片是所有物理现象发生的地方，”奥宾说，“但为了使物理现象发生，你需要一整个房间的设备。”
到目前为止，该团队已经成功地改变了两个原子的自旋方向，但他们还没有让原子沿着两条不同的路径运动。超出预期的学习曲线可能是部分原因。
“事实证明，微波是一种电子工程的黑暗艺术，”奥宾说。“这已经够难的了，物理学家甚至都没有学过，所以我们边学边自学微波工程。”
一组本科生正在设计微波电路为芯片供电。他们不得不在内部完成大部分制造工作，奥宾指着散落在佳博体育里的成堆的电子设备说。
“我们制造了我们需要的大部分东西，”奥宾说。“通常你买不到，因为这些东西根本不存在。如果你是第一次做某件事，你必须发明自己的工具。”
对该项目有贡献但目前不在研究小组的本科生有：19岁的Kami Sullivan， 22岁的Isuru Attanagoda，圣安德鲁斯大学交换生Joseph Houghton和乔治梅森大学暑期实习生Daniel Rodriguez， Joe Coffin和Neal Jacob。
