При охлаждении атомов в оптической патоке до температур - около 1мкК - процесс отдачи сопровождает поглощение и испускание фотонов всеми атомами, в том числе и самыми холодными. Это приводит хотя и к небольшим, но не пренебрежимо малым изменениям скоростей частиц, что и означает наличие у газа некоторой температуры. Если заставить самые медленные атомы не "замечать" фотоны в оптической патоке, то можно надеяться достичь и более низких температур. Один из способов сделать атомы "темными", т. е. невидимыми для фотонов, и тем самым избежать поглощения был известен. Однако было неясно, как скомбинировать этот способ с лазерным охлаждением.
Все же группе Коэн-Таннуджи, потратившей немало времени на поиски, удалось найти метод охлаждения, в котором медленные атомы переходят в темное состояние. Метод был назван избирательным по скорости, когерентным пленением населенностей (velocity-selective coherent population trapping). Эксперимент проводился с атомами гелия, для которых отвечающая пределу отдачи температура составляет 4 мкК. Использовался пучок атомов, предварительно возбужденных в метастабильное состояние с достаточно большим временем жизни - около 10-2 c. Характер электронного строения 4He позволяет осуществить оптическую накачку неподвижных атомов в стационарное смешаное состояние, невосприимчивое к фотонам охлаждающих лучей. Для движущихся атомов такое состояние не стационарно, но вероятность поглощения света оказывается пропорциональной квадрату их скорости, так что чем медленнее они движутся, тем дольше находятся в темном состоянии. Это и означает "накапливание" атомов в состояниях с малыми импульсами поступательного движения и когерентным распределением по внутренним степеням свободы. В первом эксперименте было достигнуто поперечное охлаждение пучка, для которого одномерное распределение атомов по скоростям отвечало температуре 2 мкК. С четырьмя лазерными лучами они получили двумерное распределение, температура которого 0.25 мкК означала уже выход в наноградусную область. Наконец, в шестилучевой геометрии полное распределение частиц по скоростям соответствовало температуре 0.18 мкК. В этих условиях атомы гелия еле движутся, их средняя скорость всего 2 см/с!
Группа Чу нашла другой путь охладить атомы ниже предела отдачи. Они совместили рамановские переходы (комбинационное рассеяние света) между сверхтонкими подуровнями основного состояния атомов натрия с оптической накачкой в нижнее по энергии состояние этого дублета через отдельный вспомогательный уровень. По сравнению с обычным однофотонным переходом между подуровнями сверхтонкой структуры рамановские переходы в два раза чувствительнее к допплеровскому сдвигу движущихся атомов, если лучи с частотами f1 и f2, вызывающие рамановский переход, распространяются навстречу друг другу. Если разность f1 - f2меньше чем требуется для двухфотонного резонанса, тормозиться будет атом, имеющий скорость+v (летящий навстречу лучу f1). При изменении направления лучей на противоположное тормозиться будет атом, скорость которого - v. Создав серию рамановских импульсов с изменяющимися частотой, отстройкой, длительностью и направлением, можно не только растянуть частотный спектр лазерного поля, но и задать ему требуемую эволюцию так, чтобы заставить все атомы возбуждаться на верхний подуровень основного состояния за исключением самых медленных . Замедленные на этом подуровне атомы далее переводятся на самый низкий по энергии уровень путем оптической накачки, как сказано выше. Этот метод, названный рамановским охлаждением (Raman cooling), потребовал для своей реализации высокого экспериментального мастерства и позволил группе Чу также достичь наноградусной области при охлаждении атомов натрия в одномерной геометрии (до температуры 0.1 мкК).
Методы охлаждения газов в микроградусную область температур и ниже были развиты С.Чу, К.Коэн-Таннуджи и У.Д.Филлипсом в целом ряде работ, начиная с середины 80-х годов. Полученные результаты значительно продвинули наши знания о взаимодействии излучения с веществом и позволили глубже понять квантовомеханическое поведение газов при сверхнизких температурах. На основе развитых нобелевскими лауреатами методов недавно удалось наблюдать тонкое явление - конденсацию Бозе-Эйнштейна в атомарных газах. Реализован новый атомный эталон частоты, точность которого на два порядка выше ныне существующего - цезиевого. Разработка более точных атомных часов, в частности для их использования в космической навигации, скоро станет технологической проблемой. Отмеченные Нобелевским комитетом методы указывают пути к созданию атомного интерферометра, который поможет выполнить точнейшие измерения гравитационных сил, атомного лазера - инструмента будущего квантовой микроэлектроники, атомно-волновых элементов квантовых компьютеров. Поднимаясь по лестнице своей эволюции, оптика по очереди прошла ступени фотонов, электронов, нейтронов. Теперь она вышла на следующий уровень - оптику атомов. Блистательный прорыв в микроградусную область открыл новые горизонты для будущих исследований.
Ю.К.Джикаев,
кандидат физико-математических наук
Москва