Laserkylta atomgaser, gaser av atomer som kylts ned till temperaturer nära absolut nollpunkt med hjälp av laserteknik, har visat sig vara mångsidiga fysiska plattformar för att studera och kontrollera kvantfenomen. När dessa atomgaser interagerar med ljus inuti en optisk kavitet (dvs. en struktur som är utformad för att fånga och förstärka ljus) kan de ge upphov till effekter som kan utnyttjas för att realisera kvantavkänning eller simulera komplexa kvantsystem.
Med hjälp av atomiska gaser laddade i optiska kaviteter har fysiker observerat olika intressanta effekter, bland annat självorganiserande fasövergångar, som kännetecknas av att gasatomerna spontant ordnar sig i ordnade mönster, laserstrålning och bevarande av kvantkoherens. I allmänhet observeras dessa effekter dock endast under kort tid, eftersom nya atomer måste laddas i kaviteten för att de ska kunna uppstå igen.
Forskare vid JILA, ett gemensamt forskningsinstitut vid University of Colorado-Boulder och National Institute of Standards and Technology, har nyligen demonstrerat kontinuerlig lasering som varade i timmar med hjälp av laserkylta strontium-88 (88Sr)-atomer laddade i en ringformad (dvs. cirkulär) optisk kavitet. Deras artikel, som publicerades i Nature Physics, kan öppna nya möjligheter för utvecklingen av ultratysta lasrar, kvantdatorer och sensorteknologier.
”Det ursprungliga målet med vårt experiment är att bygga en kontinuerlig superradiant laser, ett verktyg som skulle göra det möjligt för oss att göra högprecisionsfrekvensmätningar på kort tid”, säger Dr. Vera M. Schäfer, första författare till artikeln, till Phys.org. ”Detta skulle kunna hjälpa oss att utforska olika regimer för att söka efter mörk materia och annan ny fysik.”
Det långsiktiga målet för forskarna Schäfer, Niu, Thompson och deras kollegor är att realisera extremt avancerade lasrar med ultranarrow frekvensbandbredd, som skulle kunna användas för att söka efter mörk materia eller för att utveckla sofistikerade enheter, såsom atomur. Medan de arbetade mot detta mål upptäckte de dock en märklig och oväntad effekt, som speglar det faktum att naturen spontant kan organisera sig själv när energi pumpas in i ett system.
”Vi såg laserljus komma ut ur vårt system när vi bara försökte ladda en mycket kall gas av atomer mellan de högreflekterande speglar som bildar vår laserkavitet”, förklarade professor James K. Thompson. ”För att vara tydlig är vår laserkavitet som en klocka, men för ljus istället för ljud. Den gillar att ringa med en specifik frekvens.
Atomerna fick denna ’klocka’ att ringa och avge ljus. När vi undersökte varifrån ljuset kom upptäckte vi många märkliga beteenden, framför allt att en förändring av klockans resonansfrekvens knappt förändrade frekvensen hos det ljus som den avgav.”
Efter sina oväntade observationer satte forskarna igång med att försöka förstå den underliggande fysiken. Detta kan i sin tur bidra till den framtida utvecklingen av atomur och gravitationsvågdetektorer.
”För att förstå detta måste jag berätta en historia om atomur och gravitationsvågdetektorer”, säger Thompson. ”Det visar sig att både atomur och gravitationsvågdetektorer bygger på optiska kaviteter med mycket, mycket, mycket (sa jag mycket?) stabila frekvenser.
”Men när man bygger dessa objekt märker man att det ser ut som om dessa ’klockor’ vickar och skakar i frekvensen. Varför? Eftersom de är gjorda av riktiga atomer vid ändliga temperaturer som genomgår något som motsvarar slumpmässiga skakningar, så kallad Brownsk rörelse.”
För att kringgå denna begränsning hos både atomur och gravitationsvågdetektorer försöker Thompson och hans laboratorium vid JILA bygga en superradiant laser. Frekvensen hos denna laser ska inte bero på frekvensen hos den optiska kaviteten, utan istället på en mycket smal frekvensövergång i atomen strontium.
Teamets experimentella uppställning: Atomer kyls och saktas ner i en vakuumkammare tills de kan fångas i ett gitter inuti en kavitet (svart triangulär kavitetsavståndshållare i den nedre halvan av vakuumkammaren). Atomernas fluorescens kan ses upptill i blått från heta atomer som interagerar med Zeeman-lasern, och i en tunn remsa i den nedre halvan från atomer som fångats inuti kaviteten. Källa: JKT/ZN
”För att bygga detta måste vi kontinuerligt använda andra vanliga lasrar som kyler strontiumatomerna till 10 miljondels grader över absolut nollpunkt”, säger Thompson.
Zhijing Niu, senior doktorand, tillägger: ”Vi har kommit på hur vi kan laserkylning och ladda våra atomer kontinuerligt istället för att göra det i omgångar som i nästan alla andra experiment inom vårt område (dvs. kyla och ladda några atomer, göra några korta vetenskapliga experiment, kasta bort dem och upprepa).”
Innan de ens hann utnyttja den mycket smala atomövergången under sina experiment observerade forskarna att laserljus kom ut ur den optiska kaviteten och fann att det kvarstod i timmar. Denna fascinerande observation var den viktigaste inspirationskällan bakom deras senaste arbete, eftersom de var angelägna om att förstå de bakomliggande orsakerna.
”Det var ett ganska speciellt experiment, eftersom man normalt försöker uppnå ett specifikt mål och lösa problem längs vägen”, säger Schäfer. ”Vi såg något helt oväntat och hade först ingen aning om vad som orsakade det. Så vi uteslöt olika möjligheter steg för steg tills vi äntligen började förstå vad som pågick och upptäckte att utan att vi ens försökte stabiliserar denna lasermekanism den effektiva frekvensen i vårt hålrum.”
Till slut insåg forskarna att den laserstrålning de observerade var ett resultat av absorptionen av en foton och en efterföljande stimulerad emission, vilket gav upphov till ett annat momentumtillstånd. Med andra ord upptäckte de att 88Sr-atomer fångade en foton, vilket fick den att recoila och sedan kasta en foton in i kaviteten, vilket gav upphov till den kontinuerliga laserstrålning som de observerade.
”Detta verkar vara den förstärkningsmekanism som naturen tillhandahåller när vi tillför energi till systemet via våra laserkylningsstrålar”, säger Niu.
”Denna förstärkningsmekanism orsakar dock också atomuppvärmning, vilket i sin tur orsakar en lustig återkopplingsloop som håller den effektiva optiska kavitetsfrekvensen på ett fast värde, även när vi gjorde vårt bästa för att ändra den”, tillägger Thompson.
Den senaste studien som genomförts av denna forskargrupp ger nya insikter om växelverkan mellan ljus och materia, vilket kan bidra till den framtida utvecklingen av superradiantlasrar. Det är värt att notera att mycket av den fysik de observerade endast förekommer i kontinuerliga experiment, till skillnad från cykliska experiment.
”Det mest intressanta laserläget uppstår endast när man startar i ett mer störande tillstånd och sedan långsamt ändrar hålrumsparametrarna till ett mindre stabilt läge som endast upprätthålls av den kontinuerliga lasern”, förklarar Schäfer. ”Genom att bygga ett kontinuerligt fungerande kallatomsexperiment kunde vi alltså se några nya effekter.”
Inspirerade av den senaste forskningen inom området, inklusive denna nya studie, flyttar nu många forskare som är intresserade av atom- och laserfysik fokus från cykliska till kontinuerliga experiment. De kontinuerliga plattformar som detta resulterar i kan bana väg för nya högpresterande tekniker, inklusive kvantdatorsystem och lasrar med ultranarrow linewidth.
”I framtiden planerar vi att verkligen använda den smala linjebreddsövergången i strontium för att bygga otroligt enfärgade lasrar för att utforska världen”, tillägger Thompson. ”Längs vägen ser vi redan många intressanta saker, som att skydda kvantsensorer som kallas materiavågor och optiska klockor mot brus med hjälp av kollektiva effekter eller att använda samma system för att simulera BCS-superledare. Vi kommer definitivt att ha fullt upp!”
Mer information: Vera M. Schäfer et al, Continuous recoil-driven lasing and cavity frequency pinning with laser-cooled atoms, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02854-4.
