William Phillips (2016) - Superfluid Atomic Gas in a Ring:  A New Kind of Closed Circuit

An ultracold gas of bosonic atoms at sufficiently low temperature undergoes a phase transition known as Bose-Einstein condensation and becomes essentially a macroscopic quantum system

Superfluid atoms in a ring. The title that I gave for this was a new kind of closed circuit, but I think a better title might be some first steps toward atomtronics. I want to mention that I’m going to be talking about some recent work in my laboratory that’s mainly been done by Gretchen Campbell, and we’re part of the NIST laser cooling and trapping group in the physical measurement laboratory of NIST. We’re also part of the Joint Quantum Institute that is joined between NIST and the University of Maryland I can’t resist doing a little bit of shameless advertising. Especially with so many young people here. We have lots of opportunities for study and research at the Joint Quantum Institute. And if you’re at a stage in your career when you’re thinking about where to go next, you might think about us. And you might end up joining a group like ours or one of the many other groups that are at the Joint Quantum Institute, studying all sorts of wonderful things about quantum mechanics. And the other thing I want to say before I really start is: If you see me around, ask me questions! Because if you ask me a question, I will give you a prize. So coffee breaks, lunches, dinners, whatever. If I don’t have something else to do, I’m eager to talk with you. And this afternoon we’ve got a discussion session. Tomorrow there’s a master class. And the next speaker Klaus von Klitzing will be giving you the same prize which is the 2014 Codata wallet card of the fundamental constants. Now, at NIST we own the fundamental constants of nature. And so that’s why I’m giving them out. And I’m going to give a whole bunch to Klaus, and he’s going to give them out as well. You heard all about Codata in Ted’s talk, and ok, sometimes Codata gets it wrong but it’s the best we got. And how can you be a physicist and not have this in your wallet! Ok, so I want to talk about superfluid atoms in a ring, but I need to give you a little bit of background. So let’s go a little more than 20 years ago. It was announced in Science Magazine that the molecule of the year was the Bose-Einstein condensate. Now, it wasn’t a molecule at all. And it wasn’t really a new form of matter either. It’s a gas, for crying out loud, but it’s a really, really cool gas because it realised a dream that had begun with Einstein 70 years earlier. When Einstein predicted that, if you had a gas of bosons and you got it cold enough and dense enough, that something weird and wonderful would happen, namely that there would be a phase transition. And think about this, this is a phase transition in an ideal gas where phase transitions aren’t supposed to happen. But because of the quantum statistics of the bosons in this gas, it would undergo a phase transition. And the nature of the phase transition according to Einstein was that a large fraction of the atoms would stop moving. Now, remember this is just before the Heisenberg uncertainty principle came along. So with that we knew that the atoms wouldn’t actually stop moving. They would just go to the lowest possible state of motion allowed by Heisenberg’s uncertainty principle, that is by the zero point motion. So just how cold and how dense would you be. Well, this isn’t the way Einstein thought about it, but it’s a lovely way to think about it, based on de Broglie’s idea of matter having a wave-like character. And so if you have a hot dilute gas, the wavelength of those atoms is short and the distance between the atoms is long and the wavelength simply doesn’t matter. But when the gas is dense and cold then the wavelength is long and the distance between the atoms is short. And you can get to the point where the wavelength is comparable to the distance between the atoms. And that’s when the magic happens. And a large fraction of the atoms become a single wave, that is all the atoms having the same wave function, and they become a single wave that occupies the entire container. Now, just how cold and how dense do you need to get? Well, in a typical experiment it might be a few hundred nanokelvin, a few hundred billions of a degree above absolute zero, with a density on the order of 10^13 atoms per cubic centimetre. Now, some people think that a density of 10^13 atoms per cubic centimetre is a vacuum, but the fact is we think this is a really dense gas. And how do you get that dense? Well, the first step is laser cooling. Now, you’ve heard a talk from Dave Wineland and you’ve heard a talk from Ted Hänsch, but neither of them mentioned, out of modesty of course, that they were the ones who invented laser cooling. So, along with Dehmelt and Schawlow, a picture of whom you saw in Ted’s talk, these were the inventors of laser cooling. Each one of these people, by the way, has gotten a Nobel Prize for something else besides laser cooling. I think that says something about how clever these people are. But here’s the basic idea: Imagine a gas of atoms and simplify the problem as we always do, as Einstein told us. Everything should be as simple as possible but no simpler. And so in the simplification we’ve got a one dimensional gas. So some of the atoms are heading that way and some of the atoms are heading that way, and you shine in light from both sides and you tune the light so that it is a little bit below the resonance frequency of the atoms Now, these atoms moving in this way see the Doppler shift of this laser beam as putting its frequency closer to the resonance frequency of the atom. So these atoms preferentially absorb from this laser beam and slow down. These atoms, on the other hand, see these laser beams as being the ones that have the right frequency to be absorbed. And so this atom preferentially absorbs from this laser beam and slows down. Now, you can generalise this to three dimensions and have laser beams coming in backwards and forwards and up and down. And now the atom, no matter which way it moves, sees the laser beams that oppose its motion as being the ones that are closer to resonance and it will slow down. And this was first realised in the laboratory by Steve Chu. You don’t need these pictures but just to remind you of what Dave Wineland and Ted Hänsch look like. If you want to ask them about laser cooling. And if you find Steve Chu you can ask him as well. But one of the things I want to point out is that one of the reasons why these characters got the Nobel Prize for laser cooling was that laser cooling worked even better than those original researchers thought. In fact, we eventually got 100 times colder, over 100 times colder than we were supposed to get using laser cooling. And I’m not going to tell you that story. It’s a wonderful story but we can talk about it later. But even that wasn’t cold enough or dense enough to achieve Bose-Einstein condensation. So what could you do? The answer was rather simple. Evaporative cooling. You know that when you blow on your coffee to make it cold, what’s happening is that you are allowing the most energetic of the water molecules to escape from the surface, and what is left behind is colder. Well, we do exactly the same thing by trapping our atoms in a magnetic trap or a laser trap, allowing the most energetic atoms to escape, and what’s left behind is colder. And using evaporative cooling in the early days in a magnetic trap, what I call the heroes of Bose-Einstein condensation, were able to reach temperatures colder than was possible by laser cooling, down into the nanokelvin regime, and were able to realise Einstein’s strange and wonderful prediction. So, who were these heroes? Well, one of them is Dan Kleppner who is often called the godfather of Bose-Einstein Condensation. I’m glad to see you recognised that logo from the movie. And the reason he’s called the godfather is because he taught us about the techniques that were needed to make Bose condensation. But these were the ones, the heroes who actually achieved it: Eric Cornell and Carl Wieman at Boulder. Wolfgang Ketterle at MIT. And what we’re looking at here is a velocity distribution of a gas of atoms as it’s cooled from a temperature of 400 nanokelvin, too hot for this phase transition to occur. And so you see this broad featureless distribution as you would in any thermal gas. And then when the temperature goes down to 200 nanokelvin you get this huge peak of atoms around zero velocity. And that’s the condensate. That got these guys the 2001 Nobel Prize in physics. Carl Wieman is supposed to be here. I haven’t seen him yet either. But if you see him ask him about this. So what is a Bose-Einstein condensate? It’s a macroscopic quantum state. It’s thousands to millions, sometimes even billions of atoms all in the same state. It is laser-like in its coherence in the wave nature of these atoms. So, just as a laser has many, many photons in the same state a Bose-Einstein condensate has many, many atoms in the same state. And very often it’s big, hundreds of micrometres across, or even larger, like a millimetre. You young people can see something that small. I can’t. But if you can see it with the naked eye, it’s macroscopic. Ok, so what do we do? We put this gas which, did I mention it’s superfluid. No it doesn’t have that. Oh it is, yes ok. I did mention it – here. This is a superfluid. So, this is a new kind of superfluid. We’ve had liquid helium. Superfluid helium. We’ve had super conductors which are a superfluid, electric superfluid. And now we have a gaseous superfluid. And what we do is we put it into a ring. Now, it turns out that if you have a laser beam tuned red of the resonant frequency of an atomic transition then the atoms will be attracted to the most intense part of that laser beam. So, what we do is we focus down a ring of laser light. So, that it’s focused down to a ring that’s about 50 microns in diameter. And then we focus using a cylindrical lens. We focus another laser beam down to make a sheet of light. And the inner section of this ring of light and this sheet of light makes a torus in which we can trap our atoms. And we can get a persistent current of atoms going around this ring that lasts for as long as the atoms do. The only thing that stops this persistence of current is the fact that we have an imperfect vacuum. And eventually the atoms are scattered out of this ring by the room temperature residual atoms. Mostly hydrogen that are inside our imperfect vacuum. And you might say, well, why don’t you make your vacuum better? We made it as good as we could. And that’s what we get. But 60 seconds, in our business 60 seconds is forever. So this is fantastic. So, now I want to emphasise that this is the work of Gretchen Campbell. And, of course, we call the group that works on this “The Fellowship of The Ring”, and you can see the former and current members as well as our theory collaborators. Here’s a group picture of Gretchen. So, there’s Gretchen leading the fellowship. And here you know you have the graduate students and the postdocs. And the theorists. And, of course, there are people all over the world doing wonderful experiments using rings. And these are some of them, and probably I forgot some. And I’ll be very grateful if you tell me if I did. But then what’s the next thing? Now, we’ve got a ring and this is the simplest circuit you can imagine. It’s the atom equivalent of a loop of wire, but we want to do something more interesting. And if I had a superconducting circuit what would I do with that superconducting circuit? I would put a Josephson junction in it. And the way we make a Josephson junction is we shine in a beam of light on one end of this ring and that beam of light is now tuned to the blue, that is to the high frequency side of the atomic resonance. This kind of a laser beam repels the atoms. And so you see that there’s a depletion in the atom number here. And the atoms have to go up over this barrier to go around the ring. So, this creates a weak link or a Josephson junction. And I want to emphasise that, well, if you’ve studied the Josephson effect and Josephson junctions, you may have been thinking of the kind of Josephson junction where you have a very thin layer of dielectric and the electron pairs tunnel through that dielectric. And that is indeed a kind of Josephson junction, the sort of ideal sort of Josephson junction, that I think that Brian Josephson – who is sitting right here, isn’t this fantastic? – was thinking about when he came up with this. Now, you young people, by the way, Josephson, how old were you, 20? No probably 22. And Brian came up with something that changed our whole way of thinking about superconductors and the possibility of making superconducting circuits. So, how is that for a challenge for you young people? Anyway, the point is, so you know, seek out Brian Josephson, the point is that that’s not the only way of making a Josephson junction. And even in superconductors there are things called Dayem bridges which are a kind of Josephson junction where you’ve just thinned out the superconductor here. And that’s what we’ve done in our Josephson junction. You can see that the superfluid atomic density, it’s almost all superfluid, has been thinned out there. Ok, that’s how we make a Josephson junction. How do we control the current? The way we control the current is by taking that Josephson junction and rotating it around the ring. Now, why is this a good thing? Well, if we were in a reference frame that is rotating with the junction then we would see a Coriolis force in that rotating frame, in addition to the centrifugal force, but the important thing here is the Coriolis force. That Coriolis force is a term in omega xv, the rotation vector crossed into the velocity. Well, the Lorentz force on a charge particle in a magnetic field is vxB. So it’s got the same functional form. So, it turns out that going into a rotating frame for neutral atoms is just like applying a magnetic field for charged electrons that you would have in a superconducting ring. And so you have an analogy. Now, what happens when you apply a magnetic field to a ring of superconductor that has a Josephson junction in it. The current in the ring increases so as to shield out the magnetic flux, until you reach the critical current for the Josephson junction and then it allows a flux quantum in. We expect exactly the same sort of thing to happen here. In the rotating frame as you rotate more, which is equivalent to more magnetic field, you get more current, obviously because in the rotating frame you see the atoms passing through the junction in the opposite direction. So there’s an increase current the faster you rotate. But at some point you reach the critical current that is allowed to go through the junction and then it will allow in a quantum not of magnetic flux, but a quantum of circulation. And then we will look at the ring to see whether it’s rotating. How do we tell it’s rotating? We release it and after a time of flight. If it’s not rotating, the hole that was in the middle of the ring fills in. But if it’s rotating, the hole can’t fill in and we see this, we see a hole in the centre of the cloud because, of course, if it has angle momentum the atoms can’t be at the centre. And just by looking at the size of the hole, we can tell what the circulation is, and the circulation is quantised because this is a single wave function, and the phase of the wave function going around here which tells you what the gradient of that phase, tells you the velocity, that has to integrate up to a multiple of 2 pi. And so we can have 1 unit of circulation, 2 or 3 or as many as we want and we can tell just by looking at the hole how many we have. So here’s the results of one of those experiments. Here what we did was we rotated the barrier around the ring at different velocities. And when we did it at low velocities and then turned it off and looked at the released condensate we saw no circulation. But when we did it at a high velocity then we always got circulation. And somewhere in between there was a transition. And that was for a barrier of a certain height. When the barrier was just a little bit higher that transition occurred earlier. Just as you would expect. You would expect that when the barrier is higher the critical velocity is lower, the velocity that you would need to flow in order to break the superfluidity and get an excitation. So, we developed a toy model of that excitation that involved creating some vortexes here and then the vortexes repel each other and head to the outside. And that toy model seemed to agree reasonably well with theory. And the toy model agreed with experiment. But it didn’t agree at all with making the critical velocity the speed of sound. And this was a clue to the idea that it wasn’t phonons that were the excitations that were arising when we exceed the critical velocity. But instead it was something like vortexes. Now, I want to emphasise that this isn’t the first time someone has done this kind of an experiment with a fluid. Richard Packard and his group at Berkeley have used superfluid, both Helium 3 and Helium 4 to make this kind of a device and sensitive enough to detect the earth’s rotation. We’re doing the same thing but with a gas. Now, we’re not as good as they are yet. We’re not detecting the earth’s rotation but we are doing some interesting things and having some fun. So, let me tell you about one of the fun things that we’re doing with these superfluid gases. Hysteresis, why is there hysteresis in this system? Well, remember the story that I told you about rotating the barrier around the ring. So, in the rotating frame you see flow in the opposite direction at about the velocity that the barrier is rotating until you finally reach that velocity that’s high enough that it will create an excitation. That is it’s no longer superfluid, it creates an excitation, and that excitation brings into the ring a quantum of circulation. So, now all of the fluid in the ring is circulating around like that with some velocity. Now, let’s say that the critical velocity, just for the sake of argument, imagine that the critical velocity was almost as big as the velocity when you had a quantum of circulation in here. By the way, that velocity for a 50 micron ring is about 1 turn per second. So it’s a really quite manageable velocity. You could almost do it by twiddling the mirror mounts by hand but we in fact use a spatial light modulator to do it. But the point is that once you allow a vortex to go through here and come into the inside, so that you now have circulation around here, that circulation is almost at the same velocity at which the barrier is rotating around. So that means the relative velocity between the barrier and the fluid is nearly zero. If you’re going to go back and make the flow stop, you’re going to have to make the relative velocity between the barrier and the fluid be large, close to the velocity of one unit of circulation. And so you expect to have a different result coming back down as you did going up which is what we call hysteresis. So here are a number of transition curves for different barrier heights. So this is the lowest barrier and this is the higher barriers. Now, I want to emphasise these are not tunnelling barriers in the way that Brian Josephson originally imagined the Josephson effect. The height of these barriers is lower than the energy of the atoms. So what is happening is the atoms are just going over the barrier classically but as a result of the barrier being there the superfluid density is lower and that’s all that’s needed in order to see the kinds of effects that we’re interested in. So here with a low barrier you have to go to a high enough velocity and then you see this transition to a state of rotation. And when the barrier is lower you make that transition at a lower velocity. Now, what happens when we go back the other way? So going back the other way you see you have to go until you’re at a quite low velocity because the fluid is already circulating. And you make the barrier rotate at a much lower velocity, and then finally when the relative velocity is big enough you make the transition. And when the barrier is higher you don’t have to make that relative velocity as big and it occurs at a higher velocity. And now, if we put the two curves together, you see you have this classic hysteresis loop that you expect to see in so many kinds of systems. And here we’ve seen it in this superfluid atomic gas. So hysteretic behaviour is central to a lot of electronic devices and processes, things like memory and noise tolerant switching, like Schmitt triggers, that you may be familiar with from electronic design, and now we’ve added that feature of hysteresis to our tool box for superfluid gases. So let me just come to a close by showing pictures of the people who were part of the team who have recently done these things. There’s Gretchen, the leader of this team. We’ve been very happy to have the collaboration of Chris Lobb who is a real SQuID guy, that is electronic SQuIDs, and Avinash and Steve and Fred and Erin have all been part of that. And the more recent team has added a few more young people and they’re doing wonderful things right now. So, besides the things I’ve told you, by using interference we can actually see interference fringes between a non-rotating gas and a rotating gas. And this is something you’re never going to do with a liquid or with a superconductor. We can visually see these interference fringes and measure the phase around the ring. Gretchen and her team are making DC SQuIDs, that is things that have two junctions. They’re generating sound waves by modulating the Josephson junction to create sound waves going around this ring, studying thermal effects, other things I didn’t even put on here were watching a standing wave of sound being dragged around the ring by the superfluid rotation. So this is the end of my talk, but it’s certainly not the end of this research. We’re doing such incredibly exciting things, but I want to remind you, ask me questions, because you want to get this card. And let me tell you why. And Klaus von Klitzing is going to tell you more about this. This is the last card on which Planck’s constant will have any uncertainty. The next time this card comes out Planck’s constant will be exact. And so will the charge on the electron. And so will the Boltzmann constant. And so will Avogadro’s number. And Klaus von Klitzing will tell you why. Thanks very much.

Suprafluide Atome in einem Ring. Ich habe dem Vortrag diesen Titel gegeben, eine neue Art geschlossener Kreislauf, aber ich denke, ein besserer Titel wäre gewesen: ein paar erste Schritte zur Atomtronik. Ich möchte erwähnen, dass ich über jüngste Arbeiten in meinem Labor erzählen werde, die hauptsächlich von Gretchen Campbell durchgeführt wurden, und wir sind Teil der NIST Laserkühlungs- und Fallengruppe im Laboratorium für physikalische Messungen des NIST. Und wir sind ebenfalls Teil des Joint Quantum Institute, das das NIST und die Universität Maryland gemeinsam betreiben. Ich kann nicht widerstehen, ein wenig schamlose Werbung zu machen. Zumal so viele junge Leute hier sind. Es gibt viele Gelegenheiten zum Studium und zur Forschung am Joint Quantum Institute. Und wenn Sie auf der Stufe Ihrer Karriere sind, auf der Sie darüber nachdenken, wohin Sie als Nächstes gehen, denken Sie vielleicht auch an uns. Sie könnten in eine Gruppe wie unsere kommen oder in eine der vielen anderen Gruppen, die es am Joint Quantum Institute gibt, zum Studium aller möglichen wunderbaren Dinge im Feld der Quantenmechanik. Und das andere, was ich sagen möchte, bevor ich richtig beginne: Wenn Sie mich treffen, stellen Sie mir Fragen! Wenn Sie mir Fragen stellen, dann gebe ich Ihnen einen Gewinn. Also während Kaffeepausen, Mittagessen, Abendessen, wo auch immer. Wenn ich nichts anderes zu tun habe, bin ich versessen darauf, mit Ihnen zu sprechen. Heute Nachmittag haben wir eine Diskussionssitzung. Morgen gibt es eine Masterclass. Und der nächste Sprecher, Klaus von Klitzing, wird Ihnen denselben Gewinn geben, es ist die 2014 CODATA-Taschenkarte der fundamentalen Naturkonstanten. Nun, bei NIST, besitzen wir die fundamentalen Naturkonstanten. Und deshalb verteile ich sie hier. Ich werde Klaus auch ein großes Bündel geben und er wird sie auch ausgeben. In Teds Vortrag haben Sie von CODATA gehört, und ok, CODATA macht manchmal Fehler, aber es ist das Beste, was wir haben. Wie können Sie ein Physiker sein, wenn sie dies nicht in Ihrer Brieftasche haben! Ok, ich möchte über suprafluide Atome in einem Ring sprechen, aber ich muss Ihnen zunächst ein bisschen Hintergrund vermitteln. Lassen Sie uns daher ein wenig mehr als 20 Jahre zurückgehen. Es wurde damals im Science Magazine bekannt gegeben, dass das Molekül des Jahres das Bose-Einstein-Kondensat war. Nun, es war überhaupt kein Molekül. Und es war auch keine neue Form der Materie. Es ist ein Gas, verdammt noch mal, aber es ist ein wirklich, wirklich cooles Gas, weil es einen Traum realisierte, der mit Einstein 70 Jahre früher anfing. Als Einstein vorhersagte, dass etwas Komisches und Wunderbares passieren würde, wenn man ein Bosonengas hätte und man es kalt und dicht genug bekäme, es gäbe nämlich einen Phasenübergang. Und denken Sie darüber nach, dies ist ein Phasenübergang in einem idealen Gas, wo es überhaupt keine Phasenübergänge geben dürfte. Aber wegen der Quantenstatistik der Bosonen in diesem Gas würde es einen Phasenübergang geben. Die Natur dieses Phasenübergangs laut Einstein war, dass ein großer Teil der Atome aufhören würde, sich zu bewegen. Denken Sie daran, dies war kurz bevor Heisenbergs Unschärferelation erschien. Damit wussten wir, dass die Atome nicht tatsächlich aufhören würden, sich zu bewegen. Sie würden nur zum niedrigst möglichen Bewegungszustand übergehen, der durch Heisenbergs Unschärferelation möglich ist, d. h. der Nullpunktbewegung. Wie kalt und dicht wäre das? Dies ist nicht so, wie Einstein sich das vorgestellt hat, aber es ist ein schöner Weg, es sich vorzustellen, basierend auf de Broglies Idee, dass Materie einen wellenähnlichen Charakter hat. Wenn man also ein heißes, verdünntes Gas hat, ist die Wellenlänge dieser Atome kurz und der Abstand zwischen den Atomen ist groß und die Wellenlänge spielt einfach keine Rolle. Aber wenn das Gas dicht und kalt ist, dann ist die Wellenlänge lang und der Abstand zwischen den Atomen ist klein. Und man kann an dem Punkt ankommen, wo die Wellenlänge vergleichbar mit dem Atomabstand wird. Dann passiert hier der Zauber. Ein großer Teil der Atome wird eine einzelne Welle, d. h. die Atome haben dieselbe Wellenfunktion, und sie werden zu einer einzigen Welle, die den gesamten Behälter füllt. Wie kalt und dicht muss man dafür werden? In einem typischen Experiment kann es ein paar hundert Nanokelvin sein, ein paar hundert milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt, mit einer Dichte von der Größenordnung 10^13 Atome pro Kubikzentimeter. Nun, einige Leute denken, dass eine Dichte von 10^13 Atome pro Kubikzentimeter ein Vakuum sind, aber tatsächlich denken wir, dass es ein ziemlich dichtes Gas ist. Und wie bekommt man es so dicht? Der erste Schritt ist die Laserkühlung. Sie haben einen Vortrag von Dave Wineland gehört und Sie haben einen Vortrag von Ted Hänsch gehört, aber keiner der beiden erwähnte, natürlich aus Bescheidenheit, dass Sie diejenigen waren, die die Laserkühlung erfanden. Zusammen mit Dehmelt und Schawlow, von denen Sie in Teds Vortrag ein Bild sahen, waren sie die Erfinder der Laserkühlung. Jeder von ihnen hat übrigens einen Nobelpreis für etwas anderes bekommen, neben der Laserkühlung. Ich denke, das sagt etwas darüber aus, wie schlau diese Leute sind. Aber hier ist die Grundidee: Stellen Sie sich ein Gas aus Atomen vor und vereinfachen wir das Problem, wie wir das immer tun, wie Einstein es uns erklärt hat: Alles sollte so einfach wie möglich sein, aber nicht einfacher. Und daher nehmen wir in der Vereinfachung ein eindimensionales Gas. Also bewegen sich einige der Atome in diese Richtung, und einige der Atome bewegen sich in die andere Richtung und man scheint Licht von beiden Seiten herein, und man stimmt das Licht so ab, dass es ein wenig unter der Resonanzfrequenz der Atome ist. Diese Atome bewegen sich in diese Richtung und sehen, dass die Dopplerverschiebung dieses Laserstrahls dessen Frequenz näher an die Resonanzfrequenz des Atoms bringt. Diese Atome absorbieren bevorzugt von diesem Laserstrahl und werden langsamer. Diese Atome andererseits sehen diesen Laserstrahl als denjenigen, der die richtige Frequenz für Absorption hat. Dieses Atom absorbiert von diesem Laserstrahl und wird langsamer. Man kann das auf drei Dimensionen verallgemeinern und Laserstrahlen haben, die rückwärts und vorwärts und nach oben und nach unten gehen. Und nun wird das Atom, egal wohin es sich bewegt, die Laserstrahlen, die seiner Bewegung entgegenstehen, als die sehen, die näher an der Resonanz sind und es wird sich verlangsamen. Und dies wurde zuerst im Labor von Steve Chu realisiert. Sie benötigen diese Bilder nicht, es ist nur um Sie zu erinnern, wie Dave Wineland und Ted Hänsch aussehen. Wenn Sie sie über Laserkühlung ausfragen wollen. Und wenn sie Steve Chu finden, können Sie auch ihn fragen. Aber eine Sache, die ich herausstellen möchte, ist, dass einer der Gründe, warum diese Typen den Nobelpreis für Laserkühlung erhielten, war, dass die Laserkühlung sogar besser funktionierte als die ursprünglichen Forscher dachten. Tatsächlich wurden wir hundertmal kälter, über hundertmal kälter als wir mit der Laserkühlung werden sollten. Und ich werde Ihnen diese Geschichte nicht erzählen. Es ist eine wunderbare Geschichte, aber wir können später darüber sprechen. Aber selbst das war nicht kalt genug oder dicht genug, um eine Bose-Einstein-Kondensation zu erreichen. Was konnten wir also machen? Die Antwort war ziemlich einfach. Kühlung durch Verdampfen. Sie wissen, was passiert, wenn man auf seinen Kaffee bläst, damit er kälter wird. Man lässt die Wassermoleküle mit der höchsten Energie von der Oberfläche entkommen und die Zurückbleibenden sind kälter. Wir machen genau dasselbe, indem wir unsere Atome in einer Magnetfalle oder Laserfalle einfangen, erlauben wir den energiereichsten Atomen zu entkommen, und die Zurückbleibenden sind kälter. Mit der Benutzung von Verdampfungskühlung in einer Magnetfalle in den frühen Tagen konnten diejenigen, die ich die Helden der Bose-Einstein-Kondensation nenne, Temperaturen erzielen, die viel kälter waren als mit der Laserkühlung möglich, bis zum Nanokelvin-Regime hinunter. Sie waren in der Lage, Einsteins merkwürdige und wunderbare Vorhersage zu realisieren. Wer waren also diese Helden? Einer davon ist Dan Kleppner, der oft auch der Pate der Bose-Einstein-Kondensation genannt wird. Ich bin froh, dass Sie das Logo aus dem Movie erkannt haben. Der Grund, warum er Pate genannt wird, ist, weil er uns alles über die Techniken gelehrt hat, die wir benötigen, um eine Bose-Kondensation herzustellen. Aber dies waren diejenigen, die Helden, die es tatsächlich erreicht haben: Eric Cornell und Carl Wieman in Boulder. Wolfgang Ketterle am MIT. Wir schauen uns hier die Geschwindigkeitsverteilung eines atomaren Gases an, während es von einer Temperatur von 400 Nanokelvin heruntergekühlt wird, zu heiß für das Auftreten dieses Phasenübergangs. Sie sehen diese breite Verteilung ohne Merkmale, wie man sie bei jedem thermischen Gas erhalten würde. Und wenn dann die Temperatur auf 200 Nanokelvin heruntergeht, bekommt man diesen riesigen Peak Atome mit der Geschwindigkeit Null. Und das ist das Kondensat. Das hat diesen Burschen im Jahr 2001 den Nobelpreis in Physik eingebracht. Carl Wieman soll hier sein. Ich habe ihn auch noch nicht gesehen. Aber wenn Sie ihn sehen, fragen Sie ihn danach. Was ist also ein Bose-Einstein-Kondensat? Es ist ein makroskopischer Quantenzustand. Es sind tausende bis millionen, manchmal sogar milliarden Atome alle in demselben Zustand. In seiner Kohärenz in der Wellennatur dieser Atome ist es wie ein Laser. Wie ein Laser viele, viele Photonen im selben Zustand hat, hat ein Bose-Einstein-Kondensat viele, viele Atome in demselben Zustand. Und oft ist es groß, hunderte von Mikrometer Durchmesser, oder sogar größer, beispielsweise ein Millimeter. Sie jungen Leute können etwas so Kleines sehen. Ich kann das nicht. Aber wenn man es mit dem nackten Auge sehen kann, dann ist es makroskopisch. Also was machen wir? Wir tun das Gas, hatte ich erwähnt, dass es suprafluid ist? Nein, das ist hier nicht drauf. Oh, hier ist es, ok. Ich habe es erwähnt – hier. Dies ist eine Supraflüssigkeit. Dies ist eine neue Art der Supraflüssigkeit. Wir hatten flüssiges Helium. Suprafluides Helium. Wir hatten Supraleiter, die eine Supraflüssigkeit sind, elektrische Supraflüssigkeit. Jetzt haben wir eine gasförmige Supraflüssigkeit. Und dann geben wir es in einen Ring. Es stellt sich heraus, wenn man einen Laserstrahl auf die rote Seite der Resonanzfrequenz eines Atomübergangs abgestimmt hat, dann werden die Atome vom intensivsten Teil des Laserstrahls angezogen. Wir fokussieren einen Ring aus Laserlicht kleiner. Dies ist in einen Ring herunter fokussiert, der etwa 50 Mikrometer Durchmesser hat. Und dann fokussieren wir mit einer Zylinderlinse einen anderen Laserstrahl herunter, um eine Lichtplatte zu erzeugen. Und der innere Bereich dieses Lichtrings und dieser Lichtplatte erzeugt einen Torus, in dem wir Ionen einfangen können. Und wir können einen anhaltenden Strom von Atomen bekommen, die diesen Ring umkreisen, der solange andauert wie die Atome leben. Das einzige, was dieses Erhalten des Stroms stoppt, ist die Tatsache, dass wir ein unvollkommenes Vakuum haben. Und schließlich werden die Atome durch die übrigen Atome bei Raumtemperatur aus diesem Ring herausgestreut. Meistens Wasserstoff in unserem unvollkommenen Vakuum. Sie könnten jetzt sagen, warum haben Sie kein besseres Vakuum erzeugt? Wir machten dies so gut wir konnten. Und das bekamen wir. Aber 60 Sekunden, in unserem Geschäft sind 60 Sekunden wie eine Ewigkeit. Das ist also fantastisch. Jetzt möchte ich betonen, dass diese Arbeit durch Gretchen Campbell durchgeführt wurde. Natürlich nennen wir diese Gruppe die „Gefährten des Rings“, und sie können die früheren und derzeitigen Mitglieder sowie unsere Theoriekollegen sehen. Hier ist ein Gruppenbild von Gretchens Gruppe. Hier ist daher Gretchen, die die Gefährten leitet. Und hier sind die Doktoranden und die Postdocs. Und die Theoretiker. Natürlich gibt es überall auf der Welt Leute, die wunderbare Experimente mit Ringen durchführen. Hier sind einige davon und vermutlich habe ich einige vergessen. Ich wäre dankbar, wenn Sie mir sagen, falls das zutrifft. Aber was ist dann das Nächste? Nun, wir haben einen Ring, und das ist der einfachste Schaltkreis, den man sich vorstellen kann. Es ist das atomare Äquivalent einer Leiterschleife, aber wir wollen etwas Interessanteres machen. Aber wenn man einen supraleitenden Schaltkreis hätte, was würde ich mit dem supraleitenden Schaltkreis machen? Ich würde einen Josephson-Kontakt einbauen. Wir stellen einen Josephson-Kontakt her, indem wir einen Lichtstrahl an einer Stelle des Rings hineinstrahlen, und der Lichtstrahl ist jetzt auf die blaue Seite abgestimmt, d. h. zur hochfrequenten Seite der Atomresonanz. Diese Art Laserstrahl stößt die Atome ab. Daher kann man eine Verringerung der Atomanzahl hier sehen. Die Atome müssen diese Barriere überwinden, um den Ring zu umkreisen. Dies erzeugt eine schwache Verbindung oder einen Josephson-Kontakt. Und ich möchte betonen, wenn sie den Josephson-Effekt und Josephson-Kontakte studiert haben, haben Sie vielleicht an die Art Josephson-Kontakt gedacht, wo man eine sehr dünne Schicht eines Dielektrikums hat und die Elektronenpaare durch das Dielektrikum hindurchtunneln. Und das ist in der Tat eine Art des Josephson-Kontakts, der idealen Sorte des Josephson-Kontakts, an die, denke ich, Brian Josephson – der genau hier sitzt, ist das nicht fantastisch? – dachte, als ihm dies einfiel. Nun Sie junge Menschen, übrigens, Josephson, wie alt waren Sie damals, 20? Nein, vermutlich 22. Und Brian fiel etwas ein, das unsere gesamte Denkweise über Supraleiter und die Möglichkeit, supraleitende Schaltungen herzustellen, veränderte. Nun, wie ist das als Herausforderung für Sie junge Menschen? Also der Punkt ist, damit Sie es wissen, suchen Sie Brian Josephson, der Punkt ist, dass dies nicht der einzige Weg ist, einen Josephson-Kontakt herzustellen. Und sogar in Supraleitern gibt es Dinge, die Dayem-Brücken genannt werden, die eine Art Josephson-Kontakt sind, wo man den Supraleiter hier ausgedünnt hat. Das haben wir in unserem Josephson-Kontakt gemacht. Man kann sehen, die suprafluide Atomdichte, sie ist fast überall suprafluid, wurde hier ausgedünnt. Ok, so machen wir einen Josephson-Kontakt. Wie kontrollieren wir den Strom? Wir kontrollieren den Strom, indem wir den Josephson-Kontakt nehmen und ihn um den Ring rotieren lassen. Nun, warum ist das gut? Wenn wir in einem Bezugsrahmen wären, der mit dem Kontakt rotiert, dann sähen wir eine Corioliskraft in diesem rotierende Rahmen, zusätzlich zur Zentrifugalkraft, aber das Wichtige hier ist die Corioliskraft. Diese Corioliskraft ist ein Term in omega x v, dem Rotationsvektor gekreuzt mit der Geschwindigkeit. Die Lorentzkraft auf ein geladenes Teilchen in einem Magnetfeld ist vxB. Sie hat dieselbe funktionale Form. Es stellt sich heraus, dass der Übergang zu einem rotierenden Bezugssystem für neutrale Atome genau dasselbe ist wie ein magnetisches Feld auf geladene Elektronen anzuwenden, die man in einem supraleitenden Ring hätte. Damit haben Sie eine Analogie. Was passiert jetzt, wenn man ein Magnetfeld auf einen supraleitenden Ring einwirken lässt, der einen Josephson-Kontakt enthält. Der Strom im Ring wächst, um den magnetischen Fluss herauszudrängen, bis man den kritischen Strom für den Josephson-Kontakt erreicht, und dann erlaubt es ein Flussquant hinein. Wir erwarten, dass genau dasselbe hier passiert. Im rotierenden Bezugsrahmen, wenn man stärker rotiert, was einem stärkeren magnetischen Feld äquivalent ist, erhält man offensichtlich einen höheren Strom, weil man im rotierenden Rahmen die Atome sieht, wie sie in der anderen Richtung durch den Kontakt gehen. Man hat also einen höheren Strom, je schneller man rotiert. Aber irgendwann erreicht man den kritischen Strom, der durch den Kontakt fließen darf, und dann wird ein Quant nicht des magnetische Flusses, sondern ein Quant der Zirkulation möglich. Und wir schauen uns den Ring an, um zu sehen, ob er rotiert. Wie können wir unterscheiden, ob er rotiert? Wir geben ihn frei und nach einer Flugzeit, wenn er nicht rotiert, füllt sich das Loch in der Mitte des Rings. Aber wenn er rotiert, dann kann das Loch sich nicht füllen und wir sehen das, wir sehen ein Loch in der Mitte der Wolke, weil die Atome nicht im Zentrum sein können, wenn er einen Drehimpuls hat. Und nur durch Betrachten der Lochgröße können wir feststellen, was die Zirkulation ist. Die Zirkulation ist quantisiert, weil dies eine einzelne Wellenfunktion ist. Und die Phase der Wellenfunktion, die hier herum geht, die Ihnen sagt, der Gradient dieser Phase gibt Ihnen die Geschwindigkeit, das muss sich auf ein Vielfaches von 2 Pi aufsummieren. Und so kann man eine Zirkulationseinheit haben, oder zwei oder drei oder so viele wir wollen, und nur durch Betrachten des Lochs können wir sehen, wie viele wir haben. Hier sind die Ergebnisse eines unserer Experimente. Was wir hier machten, war, dass wir die Barriere durch den Ring mit verschiedenen Geschwindigkeiten rotieren ließen. Und als wir das dann bei niedriger Geschwindigkeit durchführten und es dann abschalteten und uns das freigesetzte Kondensat ansahen, sahen wir keine Zirkulation. Aber als wir dies bei hoher Geschwindigkeit machten, bekamen wir immer eine Zirkulation. Und irgendwo dazwischen gab es einen Übergang. Und das war für eine Barriere mit einer bestimmten Höhe. Wenn die Barriere nur ein wenig höher war, erhielten wir den Übergang früher. Genau wie man das erwarten würde. Man würde erwarten, dass die Geschwindigkeit, die man zum Fließen benötigt, um die Suprafluidität zu brechen und eine Anregung zu erhalten, die kritische Geschwindigkeit, niedriger ist, wenn die Barriere höher ist. Wir entwickelten daher ein Spielzeugmodell dieser Anregung, die die Erzeugung einiger Wirbel hier beinhaltete, und dann stoßen sich die Wirbel ab und gehen nach außen. Das Spielzeugmodell schien einigermaßen mit der Theorie übereinzustimmen. Und das Spielzeugmodell stimmt mit dem Experiment überein. Aber es stimmte überhaupt nicht überein damit, die Schallgeschwindigkeit zur kritischen Geschwindigkeit zu machen. Dies war der Hinweis zur Idee, dass nicht Phononen die auftretenden Anregungen waren, wenn wir die kritische Geschwindigkeit übertreten. Sondern dass es so etwas wie Wirbel waren. Ich möchte betonen, dass dies nicht das erste Mal war, dass jemand diese Art Experiment mit einer Flüssigkeit durchgeführt hat. Richard Packard und seine Gruppe in Berkeley haben Supraflüssigkeiten benutzt, Helium-3 und Helium-4, um diese Art Vorrichtung herzustellen und empfindlich genug zu machen, um die Erdrotation nachzuweisen. Wir machen dasselbe wie sie, aber mit einem Gas. Wir sind noch nicht so gut wie sie. Wir können nicht die Erdrotation messen, aber wir machen einige interessante Dinge und haben einigen Spaß. Lassen Sie mich Ihnen etwas über die spaßigen Dinge sagen, die wir mit diesen suprafluiden Gasen machen. Hysterese, warum gibt es in dem System eine Hysterese? Erinnern Sie sich an die Geschichte, die ich Ihnen über die Rotation der Barriere entlang des Rings erzählt habe? Im rotierenden Bezugssystem sehen Sie einen Fluss in die entgegengesetzte Richtung mit etwa der Geschwindigkeit, mit der die Barriere rotiert, bis man schließlich diese Geschwindigkeit erreicht, die hoch genug ist, um eine Anregung zu erreichen. D. h., es ist keine Supraflüssigkeit mehr, es erzeugt eine Anregung, und diese Anregung bringt ein Zirkulationsquant in den Ring. Die gesamte Flüssigkeit in dem Ring zirkuliert jetzt so herum mit einer Geschwindigkeit. Lassen Sie uns annehmen, dass die kritische Geschwindigkeit, nur für die Argumentation, stellen Sie sich vor, die kritische Geschwindigkeit wäre fast so hoch wie die Geschwindigkeit, wenn man hier ein Zirkulationsquant drin hat. Übrigens, die Geschwindigkeit ist für einen 50 Mikrometer Ring etwa eine Umdrehung pro Sekunde. Es ist eine wirklich recht handhabbare Geschwindigkeit. Man kann das fast machen, indem man die Spiegelaufhängungen von Hand dreht, aber wir benutzen einen räumlichen Lichtmodulator, um es zu machen. Aber der Punkt ist, wenn man einem Wirbel erst einmal erlaubt, hier durchzugehen und ins Innere zu gelangen, sodass man jetzt eine Zirkulation hier herum hat, hat diese Zirkulation fast dieselbe Geschwindigkeit, in der die Barriere herumrotiert. Das heißt, die relative Geschwindigkeit zwischen der Barriere und der Flüssigkeit ist fast Null. Und wenn man zurückgeht und den Fluss beendet, muss man die relative Geschwindigkeit zwischen der Barriere und der Flüssigkeit groß machen, nahe der Geschwindigkeit einer Zirkulationseinheit. Daher erwartet man, ein unterschiedliches Ergebnis zu erhalten, wenn man zurück herunterkommt, als wenn man hinaufgeht, das nennen wir Hysterese. Hier ist eine Anzahl Übergangskurven für unterschiedliche Barrierehöhen. Dies ist die niedrigste Barriere und dies sind die höheren Barrieren. Nun, ich möchte betonen, dies sind keine Tunnelbarrieren in der Art, wie Brian Josephson sich ursprünglich den Tunneleffekt vorstellte. Die Höhe dieser Barrieren ist niedriger als die Energie der Atome. Die Atome gehen einfach klassisch über diese Barriere, aber als ein Ergebnis der Existenz dieser Barriere ist die Supraflüssigkeitsdichte niedriger und das ist alles, was benötigt wird, um die Art von Effekte zu sehen, die uns interessiert. Hier mit der niedrigen Barriere muss man zu einer ausreichend hohen Geschwindigkeit gehen, und dann sieht man diesen Übergang in den Rotationszustand. Und wenn die Barriere niedriger ist, findet der Übergang bei einer niedrigeren Geschwindigkeit statt. Was passiert nun, wenn wir den Weg zurück andersherum gehen? Wenn wir den anderen Weg zurückgehen, sehen wir, dass man zu einer sehr niedrigen Geschwindigkeit kommen muss, weil die Flüssigkeit bereits zirkuliert. Und dann lassen Sie die Barriere bei einer viel niedrigeren Geschwindigkeit rotieren, und dann schließlich, wenn die relative Geschwindigkeit hoch genug ist, erfolgt der Übergang. Und wenn die Barriere höher ist, muss man die relative Geschwindigkeit nicht so hoch machen und der Übergang findet bei einer höheren Geschwindigkeit statt. Wenn wir jetzt die zwei Kurven vereinigen, sehen Sie die klassische Hystereseschleife, die man in so vielen Arten von Systemen zu sehen erwartet. Und hier haben wir sie bei diesem suprafluiden atomaren Gas gesehen. Das Hystereseverhalten ist der Schlüssel für viele elektronische Geräte und Prozesse, Dinge wie Speicher und rauschtolerantes Schalten, wie Schmitt-Trigger, den Sie vielleicht vom Elektronikdesign kennen, und jetzt haben wir dieses Hysteresemerkmal unserem Werkzeugkasten für suprafluide Gase hinzugefügt. Lassen Sie mich zum Schluss kommen, indem ich Ihnen Bilder der Leute zeige, die Teil des Teams sind, die diese Dinge vor Kurzem gemacht haben. Da ist Gretchen, die Teamleiterin. Wir waren über die Zusammenarbeit mit Chris Lobb sehr glücklich, der ein echter SQUID-Kerl ist, das heißt elektronische SQUIDs, und Avinash und Steve und Fred und Erin waren Teil des Teams. Das jüngste Team hat ein paar junge Leute zusätzlich, sie machen gerade jetzt wunderbare Dinge. Neben all den Dingen, über die ich gesprochen habe, können wir tatsächlich Interferenzstreifen zwischen einem nichtrotierenden und rotierenden Gas sehen, wenn wir Interferenz benutzen. Das ist etwas, das man nie mit einer Flüssigkeit oder einem Supraleiter machen kann. Wir können visuell diese Interferenzstreifen sehen und die Phase um den Ring herum messen. Gretchen und ihr Team machen Gleichstrom-SQUIDs, das sind Dinge die zwei Kontakte haben. Sie erzeugen Schallwellen, indem sie den Josephson-Kontakt modulieren, um Schallwellen, die um diesen Ring herumwandern, zu erzeugen. Sie untersuchen thermale Effekte, andere Dinge, die ich noch nicht einmal hier aufgeführt habe, wir beobachten eine stehende Schallwelle, die durch die suprafluide Rotation hier durch den Ring geschleppt wird. Das ist jetzt das Ende meines Vortrags, aber sicher noch nicht das Ende dieser Forschung. Wir machen solch unglaublich aufregende Dinge, aber ich möchte Sie daran erinnern, stellen Sie mir Fragen, weil Sie diese Karte bekommen möchten! Lassen Sie mich den Grund erzählen. Klaus von Klitzing wird Ihnen mehr davon erzählen. Dies ist die letzte Karte, auf der das plancksche Wirkungsquantum irgendeinen Fehler angegeben hat. Und das nächste Mal, wenn diese Karte erscheint, wird das plancksche Wirkungsquantum eine exakte Zahl sein. Und auch die Ladung des Elektrons. Und auch die Boltzmann-Konstante. Und auch die Avogadrozahl. Klaus von Klitzing wird Ihnen den Grund erzählen. Vielen Dank!

William Phillips (2016)

Superfluid Atomic Gas in a Ring: A New Kind of Closed Circuit

William Phillips (2016)

Superfluid Atomic Gas in a Ring: A New Kind of Closed Circuit

Abstract

An ultracold gas of bosonic atoms at sufficiently low temperature undergoes a phase transition known as Bose-Einstein condensation and becomes essentially a macroscopic quantum system. It is macroscopic both in the sense that on the order of a million atoms may be occupying the same quantum state and in the sense that this system can be hundreds of micrometers or larger in size - large enough to be resolved even with the naked eye. Such a gas is superfluid, and when confined in a ring-shaped trap can support a persistent current, a superflow that is undamped for as long as the gas itself can last in an imperfect vacuum. This flow is the basis for an “atomtronic” closed circuit where the flow of atoms is analogous to the flow of electrons in electronic circuits. The unique opportunities for control and observation offered by atomic gases, along with fluid versions of Josephson junctions, have produced a wealth of interesting results.

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