С КАФЕДРЫ ПРЕЗИДИУМА РАН
Атомная оптика оформилась в самостоятельную физическую дисциплину лишь в середине 1990-х годов. Предпосылкой тому послужили результаты исследований по воздействию сил светового давления лазерного излучения на поступательное движение атомов. Перспективам развития нового типа оптики материальных частиц было посвящено одно из заседаний Президиума РАН. Публикуемая ниже статья написана на основе научного сообщения, заслушанного на этом заседании.
АТОМНАЯ ОПТИКА И ЕЁ ПРИЛОЖЕНИЯ
В.И. Балыкин
Атомная оптика, наряду с электронной, ионной и нейтронной, является оптикой материальных частиц (табл.) и занимается проблемами формирования ансамблей и пучков нейтральных атомов, управления ими [1—6], а также вопросами их применения как в фундаментальных исследованиях, так и в практических приложениях. Её развитие тесно связано с совершенствованием методов лазерного охлаждения и локализации нейтральных атомов [7, 8]. Данные методы позволяют понизить температуру атомов до одной миллионной градуса выше абсолютного нуля, а также формировать атомные ансамбли и пучки с заданными параметрами. При таких низких температурах атомная длина волны де Бройля становится сравнимой с длиной волны света и начинают заметно проявляться волновые свойства атомов.
В самом названии "атомная оптика" отражён тот факт, что движение нейтральных атомов в электромагнитных полях во многом подобно поведению световых пучков в оптических средах. Хотя у атомной оптики и оптики световых лучей схожие математические обоснования, их технические средства различны. В основе световой оптики лежит техника создания поверхностей необходимой формы из различных отражающих и прозрачных материалов. В атомной оптике имеется только одна среда — электромагнитное поле.
БАЛЫКИН Виктор Иванович — доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией Института спектроскопии РАН.
Использование разнообразных конфигураций лазерных световых полей, статических электрических и магнитных полей, а также материальных микро- и наноструктур дало возможность построить основные элементы атомной оптики, аналогичные элементам обычной оптики, — атомные линзы, зеркала, дефлекторы, дифракционные решётки, интерферометры и модуляторы атомных пучков.
ЛАЗЕРНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ И ЛОКАЛИЗАЦИЯ АТОМОВ
В световой оптике идеальным источником излучения является лазер, излучение которого имеет большую длину когерентности, высокую степень коллимированности и интенсивный поток фотонов в пучке. В атомной оптике существуют два основных типа источников: тепловые атомные пучки и пучки из ансамблей холодных и локализованных атомов. Находят применения оба типа источников, однако благодаря именно методам лазерного охлаждения атомов и последующего их пленения были созданы источники с высокой фазовой плотностью, что и привело к возникновению атомной оптики как новой физической дисциплины. К настоящему времени известны три механизма лазерного охлаждения: доплеров-ское, субдоплеровское и охлаждение ниже уровня отдачи.
Доплеровское лазерное охлаждение используется на начальном этапе понижения температуры атомов. Как известно, при взаимодействии с лазерным излучением атом поглощает фотон, переходит из основного энергетического состояния в возбуждённое, в результате его скорость изменяется на величину скорости отдачи атома. Атом может вернуться в исходное состояние при вынужденном или спонтанном испускании фотона. В первом случае испущенный фотон имеет то же значение энергии и направление распростране-
Параметры различных типов оптик материальных частиц
Тип оптики Диапазон длин волн, м Используемые виды взаимодействия
Фотонная 10-5-10-11 Свет с веществом
Заряженных частиц 10-10-10-11 (электроны) Электроны и ионы с электрическими и магнитными полями
10-13-10-14 (ионы)
Нейтронная 10-7—10-10 Нейтроны с ядром
Атомная 10-5-10-11 Атомы с лазерными, электрическими и магнитными полями
ния, что и поглощённый, скорость атома вновь изменяется на величину скорости отдачи. Спонтанные фотоны излучаются в произвольном направлении, поэтому их средний вклад в изменение импульса атома равен нулю. Таким образом, импульс фотона передаётся атому при стимулированном поглощении и последующем спонтанном испускании фотона. Если этот цикл повторяется многократно, изменение импульса атома равно Ар = ЫНк, где N — число циклов, к к — импульс фотона. Когда направление движения атома противоположно направлению лазерного луча, происходит замедление атома. Например, атом натрия при комнатной температуре имеет скорость около 105 см/с, а скорость отдачи — около 3 см/с, поэтому, чтобы уменьшить скорость атома до нулевого значения, необходимо реализовать около 104 циклов "поглощение — спонтанное испускание".
При замедлении атома лазерным излучением возникает доплеровский сдвиг между частотой поглощения атома и частотой лазерного излучения. Из-за этого уменьшается эффективность переизлучения атомом лазерных фотонов и, соответственно, эффективность процесса замедления атома. Доплеровский сдвиг устраняют, изменяя частоту лазерного излучения или частоту атомного перехода в процессе замедления атома, чем обеспечивают постоянный резонанс атомов с излучением. Используя три пары взаимно перпендикулярных встречных лазерных лучей, можно замедлить все компоненты скорости атомов, то есть осуществить трёхмерное охлаждение атомного газа. Такое лазерное охлаждение получило название доплеровского.
Процессы поглощения и испускания атомом фотонов случайны по времени и направлению, что приводит к случайному изменению импульса атома и увеличению его среднеквадратичного значения, другими словами, к нагреву атомного ансамбля. Минимальная температура атомов определяется равновесием процессов лазерного охлаждения и нагрева из-за случайного механизма переизлучения фотонов атомом. Для допле-ровского лазерного охлаждения температура атомов щелочных металлов равна около 100 мкК. Первые эксперименты по лазерному охлаждению
атомов были выполнены в Институте спектроскопии РАН в 1981 г. [9].
В дальнейшем температуру атомов снижают, используя так называемое субдоплеровское охлаждение. Атомные частицы характеризуются внутренними степенями свободы (электронные конфигурации, спин) и внешними (импульс и положение центра масс). Сильная взаимосвязь между динамикой внутренних и внешних степеней свободы лежит в основе лазерного охлаждения ниже доплеровского предела. Минимальная температура при субдоплеровском охлаждения атомов определяется энергией отдачи фотона и составляет около 1 мкК. Субдоплеровское лазерное охлажде-ниие впервые наблюдалось в Национальном институте стандартов и технологий США в 1988 г. [10].
В большинстве схем лазерного охлаждения цикл "вынужденное поглощение — спонтанное испускание фотона" никогда не прекращается. Поскольку импульс фотона, передаваемый атому спонтанно испущенным фотоном, является случайным, уменьшить разброс импульса атома ниже импульса фотона, казалось бы, невозможно. Однако, подбирая конфигурацию лазерных полей, определённые типы атомов и условия их взаимодействия, можно преодолеть это ограничение и достичь температуры охлаждения ниже уровня отдачи. Основная идея лазерного охлаждения ниже уровня отдачи состоит в том, чтобы вблизи нулевой скорости атома создать небольшую область, где вероятность поглощения фотонов и скорость переизлучения спонтанных фотонов стремится к нулю. Если это удаётся реализовать, то атом в лазерном поле, совершая вынужденное поглощение, затем спонтанное испускание фотона, "блуждает" в импульсном пространстве и может замедлиться до нулевой скорости, когда он уже не поглощает фотоны и защищён от "вредного" воздействия света. Лазерное охлаждение ниже однофотонного уровня отдачи впервые реализо-ванно в Стенфордском университете (США) [11] и в Ecole Normale в Париже [12]. Достигнутая температура при одномерном рамановском охлаждении составила около 100 нК [11].
В настоящее время, используя различные методы лазерного охлаждения нейтральных атомов (рис. 1), удаётся снизить температуру атомных ансамблей с 1000 К до 100 нК, то есть на 10 поряд-
ков. В 1997 г. двум американским (У. Филлипс и С. Чу) и французскому (К. Коэн-Таннуджи) физикам за развитие методов лазерного охлаждения атомов была присуждена Нобелевская премия по физике. Рисунок 2 демонстрирует прогресс в развитии методов лазерного охлаждения атомов (ключевые эксперименты), начавшийся с работ, выполненных в Институте спектроскопии в 1981 г.
При температуре около 1 мкК лазерное излучение становится уже слишком "грубым" инструментом воздействия на атом, и для получения более низких температур используют испарительное охлаждение. Испарение — хорошо изученное физическое явление, описывающее превращение вещества из жидкого состояния в газообразное. В процессе испарения частицы с энергией выше энергии связи покидают систему, и такое обеднение высокоэнергичными частицами приводит к охлаждению системы. Испарительное охлаждение — универсальный процесс как в микромире (испарение нейтрона из ядра), так и в макромире (испарение звёзд из их кластерных скоплений).
Испарительное охлаждение нейтральных атомов, предварительно локализованных в электромагнитных ловушках, позволяет получить в лабораторных условиях температуру до 100 нК [13]. Процесс охлаждения до столь низких температур состоит из нескольких этапов. На первом атомные ансамбли предварительно доводятся с помощью лазерного охлаждения до температуры, при которой возможна их локализация в электромагнитных ловушках. Основными условиями для испарительного охлаждения атомов являются достаточное время жизни атомов в ловушке и достаточная плотность атомов для начала процесса эффективного испарения. Время жизни атомов в ловушке ограничено неупругими столкновениями ("плохие" столкновения) атомов. Между тем упругие столкновения ("хорошие" столкновения) атомов необходимы для термализации атомного ансамбля. Кроме того, для реализации испарительного охлаждения атомов нужно, чтобы время термализации было короче времени жизни атомов в ловушке.
В процессе испарительного охлаждения происходит потеря большей
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.