Laser avaruus atomilaser

Fyysikot kehittivät ikuisesti toimivan atomilaserin

Fyysikot ovat nyt ensimmäistä kertaa onnistuneet ohjaamaan atomaarista ainetta riittävän pitkään, jotta sitä voidaan käyttää laserissa. Nyt tähdätään kohti pimeää ainetta ja pimeää energiaa.

Fyysikot ovat nyt ensimmäistä kertaa onnistuneet ohjaamaan atomaarista ainetta riittävän pitkään, jotta sitä voidaan käyttää laserissa. Nyt tähdätään kohti pimeää ainetta ja pimeää energiaa.

ESA/IAC/Daniel López

Laser on edelleen suhteellisen uusi asia fysiikassa. Laserissa valolla on vain yksi aallonpituus. Kaikki hiukkaset käyttäytyvät samalla tavalla ja liikkuvat samaan suuntaan. Siten syntyy lasersäde.

Nyt alankomaalaiset tutkijat ovat onnistuneet luomaan säteen, joka koostuu aineaalloista ja käyttäytyy samalla tavalla kuin valo perinteisessä laserissa. Se on niin kutsuttu atomilaser.

Fyysikot ovat vuosien ajan yrittäneet saada atomit käyttäytymään samalla tavalla aaltona. Periaatteessa siinä on jo onnistuttu, mutta testit ovat aina päättyneet hyvin nopeasti.

Alankomaalaisfyysikoiden suuri läpimurto on siinä, että he ovat nyt löytäneet tavan, jolla atomit liikkuvat koko ajan aaltona.

Atomit pitää jäähdyttää

Samalla tavalla kuin valo liikkuu aaltoina voidaan kvanttimekaniikan mukaan myös atomit käsittää aalloiksi.

Siinä missä tavallinen laser lähettää valohiukkasia samalla aallonpituudella, atomilaser lähettää aineaaltoja.

Atomilaser perustuu ilmiöön, jota kutsutaan Bosen–Einsteinin kondensaatiksi, BEC. Se on vaihe, jossa atomit eivät ole kaasumaisia, nestemäisiä eivätkä kiinteitä.

Erityistä Bosen–Einsteinin kondensaatissa on se, että kun atomit jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä (–273,15 astetta), syntyy aineaaltoja.

Silloin atomit voidaan saada käyttäytymään kokonaisuutena. Lämpimämmissä oloissa atomit liikkuisivat eri suuntiin.

Atomilaser aineaallot

Piirros siitä, miten atomit liikkuvat aineaaltona. Prosessiin lisätään koko ajan uusia atomeja (siniset), jotka saapuvat keskellä olevaan Bosen-Einsteinin kondensaattiin. Todellisuudessa emme voi nähdä atomeja paljain silmin.

© University of Amsterdam/Scixel

Uusi atomilähetys

Ensimmäinen atomilaser saatiin lähettämään aineaaltoja 25 vuotta sitten.

Se toimi kuitenkin vain hetken, minkä jälkeen Bosen–Einsteinin kondensaatti piti vaihtaa, jotta uusi aineaaltopulssi saatiin aikaan. Toisin sanoen laseriin piti syöttää uusia jäähdytettyjä atomeja aina sitä mukaa kuin atomisäteet lähtivät laserista.

Alankomaalaishankkeen johtava tutkija Florian Schreck selittää, että ongelma ratkaistiin luomalla uuteen laseriin järjestelmä, jossa atomit koko ajan jäähdyttävät toisiaan.

"Me pistämme atomit liikkumaan, kun ne etenevät jäähdytyksen eri vaiheissa. Lopulta ultrakylmät atomit tulevat kokeen ytimeen, missä ne voivat muodostaa jatkuvan aineaallon Bosen–Einsteinin kondensaatissa. Kun nämä atomit ovat käytössä, uusia atomeja on jo matkalla pitämään ylllä Bosen–Einsteinin kondensaattia. Näin me voimme pitää prosessin käynnissä – itse asiassa ikuisesti."

Kun rakennetaan kone, jossa on kaksi erillistä tyhjiökammiota, ja kammioihin lähetetään koko ajan jäähdytettyjen atomien säteitä, Bosen–Einsteinin kondensaatti täyttyy koko ajan niin, että atomit eivät hajoa. Hiukkaset jäähdytetään jäähdytyslaserilla.

Näin kone voi toimia ikuisesti ja lähettää koko ajan vakaita aineaaltosäteitä.

Uusi atomilaser voi periaatteessa suorittaa samoja tehtäviä kuin tavallinen laser, mutta tutkijoilla on suurempiakin suunnitelmia.

Uusi laser vie meidät lähemmäs avaruuden pimeää ainetta ja pimeää energiaa, gravitaatioaaltojen paikantamista ja avaruusalusten navigoinnin tehostamista.