О лазерном охлаждении, эффекте Доплера и конденсате Бозе — Эйнштейна


© fatllama

28 октября 2014 года в журнале Nature Communications была опубликована статья с описанием нового способа охлаждения и удержания атомов. Мы попросили прокомментировать эту работу физика Алексея Акимова.

Атомы, окружающие нас, движутся с огромными скоростями. В воздухе, которым мы дышим, типичные скорости атомов составляют сотни метров в секунду — скорости современных реактивных самолетов. Конечно, наблюдать за отдельными атомами в таких условиях не очень удобно. Можно наблюдать за их ансамблями, за коллективными эффектами, за тем, что атомы делают вместе. Но очень трудно наблюдать за тем, что атомы делают по одному. Поэтому некоторое время назад были разработаны методы лазерного охлаждения атомов, позволяющие снизить скорость атомов со скоростей сотни метров в секунду до миллиметров в секунду. Методы используют поглощение атомом встречного потока фотонов, за счет чего скорость атомов снижается — реактивное движение наоборот (если хотите, реактивное торможение). Эта разработка оказалась настолько важной, что была удостоена Нобелевской премии в 1997 году. За ней последовала и вторая премия — за реализацию конденсации Бозе — Эйнштейна в 2001 году — по существу, за еще более глубокое охлаждение атомов до температур, при которых их волновые свойства доминируют.

Что же дало лазерное охлаждение? Получили ли мы возможность работать с отдельными атомами? Да, получили. Но этим дело не ограничилось. Одним из важных эффектов в физике является эффект Доплера — изменение частоты излучателя при его движении. Этот эффект является крайне важным в астофизике, где по красному смещению определяют скорости атомов. В атомной спектроскопии этот эффект скорее вредный: он приводит к тому, что линии излучения/поглощения газов кажутся гораздо шире, чем они есть. К той же проблеме приводят и столкновения атомов между собой. Столкновения к тому же смещают центр линии. Переход же к холодным атомам позволил разом избавиться от обоих вредных эффектов, да еще получить значительную концентрацию атомов в малом объеме. Это позволило сильно повысить точность определения секунды, которая сегодня реализована как «фонтан» холодных атомов. Сегодня развитие методов лазерного охлаждения может привести к переопределению секунды, выведя измерения частоты на новый уровень точности. Стали возможными высокоточные измерения постоянства законов природы, измерения сверхмалых величин, ранее нам недоступных. Получение же бозе-эйнштейновской конденсации открыло нам путь для квантовых симуляторов — устройств, которые, используя холодные атомы, могут моделировать сложные материалы с необычными свойствами. Еще одним их применением может стать разработка оптических и квантовых вычислительных систем.

Одной из особенностей лазерного охлаждения является тот факт, что установки по лазерному охлаждению крайне громоздки. Это удобно исследователям, поскольку позволяет легко менять конфигурацию установки, но с точки зрения практических устройств не слишком удобно. Поэтому уже некоторое время ведутся (и ведутся успешно) работы по разработке различных версий ловушек на чипе. Вышедшая в Nature Communication статья демонстрирует еще один метод удержания атомов на чипе, на сей раз с использованием пассивного проводника и внешнего переменного магнитного поля. При этом атомы «вытягиваются» в одномерные цепочки, параллельные проводнику. Насколько этот новый метод удержания атомов окажется практичным, покажет время. Пока же у нас появился новый метод плести кружева из холодных атомов.

Алексей Акимов
кандидат физико-математических наук, руководитель группы "Квантовые симуляторы" Российского квантового центра, преподаватель МФТИ, сотрудник ФИАН, исследователь в Harvard University

Источник: postnauka.ru