АТОМЫ В ОПТИЧЕСКОЙ ПАТОКЕ

В воздухе при комнатной температуре атомы и молекулы хаотически движутся в различных направлениях с характерной тепловой скоростью порядка 500м/с. Исследовать частицы по отдельности невозможно - слишком быстро они покидают выбранную для наблюдения область. Охлаждая газ, можно уменьшить тепловые скорости, однако неизбежная конденсация газа - сначала в жидкую фазу, затем в твердую, - сближает атомы и молекулы до тесного контакта друг с другом, что снова не позволяет проводить эксперименты с отдельными частицами.

Не допустить конденсации в жидкость или замерзания можно, охлаждая достаточно разреженный газ (атомные и молекулярные пучки в вакууме), но даже при температуре, скажем, -270^оC характерные скорости молекул все еще велики: около 50 м/с. Значительное замедление атомных частиц достигается только вблизи абсолютного нуля температуры (-273 ^оС). Например, тепловая скорость атомов водорода при температуре в одну миллионную часть градуса (1мкК) - около 20 см/с.

Мысль использовать лазерное излучение для торможения нейтральных частиц в пучках возникла в середине 70-х годов. Физическая причина торможения пучка при его встречном облучении светом определенной частоты ясна: это - закон сохранения импульса. Идея и схема лазерного "охлаждения" нейтральных атомов была вынесена на обсуждение Т.Хэншем и А.Шавловым в 1975 г. Они предлагали облучать атомарные газы при комнатной температуре со всех сторон лазерным светом с частотой, меньшей того значения, при котором фотон поглощается покоящимся атомом. В таком случае атом, который движется навстречу лазерному лучу, вследствие эффекта Допплера приобретает способность резонансно поглотить фотон. В результате этого атом переходит в возбужденное состояние, но теряет скорость, восприняв импульс фотона. Возвращение в основное состояние происходит за короткое время (сотни мкс) благодаря спонтанному излучению, которое из-за своей изотропии приводит лишь к хаотизации движения атома. Конечно, наличие у линий радиационной ширины позволяет атому поглощать также и фотоны, летящие в попутном направлении, однако различие в сечениях поглощения для фотонов встречного и попутного лазерных лучей порождает в среднем тормозящую силу.

Заметного охлаждения атомов таким способом можно добиться, только "удерживая" резонансные условия по мере уменьшения скоростей частиц. Хэнш и Шавлов предлагали перестраивать частоту лазеров, что по тому времени представлялось довольно фантастичной, технически нереализуемой идеей. Описанный способ охлаждения атомов лазерным излучением позднее стал называться допплеровским (Doppler cooling). В 1977 г. российские физики В.С.Летохов, В.Г.Миногин и Б.Д.Павлик опубликовали теоретическую работу, в которой рассмотрели процесс торможения двухуровнего атома светом лазера и показали, что охлаждение таким способом возможно до температур не ниже значения, названного допплеровским пределом. Эта оценка давала не столь уж низкие значения: например, для атомов натрия TDL=240 мкК. В последующие годы работы по лазерному охлаждению атомов предприняли несколько экспериментальных групп, но приблизиться к температурам близким к TDL не удалось ни одной из них.

Прорыв в микроградусную область температур начался с середины 80-х годов, когда С.Чу с коллегами в лаборатории Белл реализовал трехмерное допплеровское охлаждение атомов натрия до температуры 240 мкК. Использовалась схема с шестью попарно встречными лазерными лучами, которые пересекались под прямыми углами в зоне охлаждения атомов пучка, предварительно заторможенного с помощью отдельного лазера в одномерной геометрии. Замедленный атомный пучок направлялся в область пересечения лучей охлаждающих лазеров, где атомы за короткое время приходили в стационарное состояние, совершая далее диффузионное движение с характерными скоростями 20 - 30 см/с. В объеме 0.1 с собиралось облачко из 107 - 108 атомов, которое выглядело как ярко светящаяся горошина. В этом облачке атомы двигались, как в густой вязкой жидкости, что дало повод назвать такое движение плаванием в оптической патоке (optical molasses). Достигнутая в эксперименте Чу температура отвечала "допплеровскому квантовому пределу" охлаждения двухуровневых атомов в лазерном поле. Атомы были охлаждены, но не захвачены: земное притяжение выводило их из оптической патоки за время около 1с. Для локализации атомов в ограниченной области пространства требовалась ловушка. Поиски были недолгими: подходящим кандидатом для удержания холодных атомов оказался "зеемановский замедлитель" У.Д.Филлипса. Его группа с начала 80-х годов вела поиски возможности магнитного торможения атомов в пучках, предварительно замедленных встречным лазерным лучом, с целью добиться их полной остановки. Использование катушек для создания неоднородного магнитного поля с направлением и градиентом вдоль оси пучка позволяло получить расщепление энергетических уровней (эффект Зеемана), расстояние между которыми достигало минимума в точке с наименьшей индукцией. Замедление атомов фотонами луча лазера фиксированной частоты происходило благодаря "подстройке" частоты атомного перехода по мере перемещения частиц в область с минимумом магнитного поля. В своей установке Филлипс охладил атомный пучок до температуры 0.07 К (1982 г.). Использование ловушки открыло возможности для дальнейшего охлаждения захваченных холодных атомов и преодоления допплеровского предела - первого рубежа на пути к микроградусам.