Свет-дирижёр: как лазер заставляет атомы танцевать в унисон ✛ ✎

Оригинал: "Cold atoms: A field enabled by light"
arXiv:1506.05979 · 2015-06-19 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Лазерный свет не только греет, но и охлаждает атомы почти до полной остановки, открывая квантовый мир для точных измерений и новых технологий.

В тёмной комнате луч лазера рисует на стене яркую точку. Свет кажется чем-то тёплым и неуправляемым, но физики уже три десятилетия используют его как дирижёрскую палочку, заставляя атомы танцевать в унисон. Всё началось с простого наблюдения: если направить на облако атомов встречный свет, он будет тормозить их, как поток воды, бьющий в лоб пловцу. Этот эффект, названный доплеровским охлаждением, позволил опустить температуру атомов до миллионных долей кельвина — холоднее, чем где-либо во Вселенной.

При температуре около 100 нанокельвинов атомы замедляются настолько, что их можно разглядеть по отдельности, а их квантовые свойства выходят на первый план.

Оказалось, что свет способен не только охлаждать, но и удерживать атомы в заданных местах. Магнитооптическая ловушка, где магнитное поле и лазерные лучи работают вместе, стала первой клеткой для атомов. Затем появились дипольные ловушки и оптические решётки — периодические структуры, созданные интерференцией нескольких лучей. Атомы в такой решётке ведут себя как шарики в яичной коробке: каждый сидит в своей ямке, но может перепрыгивать в соседнюю. Это открыло путь к квантовым симуляторам — устройствам, которые моделируют поведение сложных материалов, например высокотемпературных сверхпроводников.

Когда температура падает ещё ниже, атомы начинают вести себя как одна гигантская волна. Это бозе-эйнштейновский конденсат, состояние, предсказанное почти сто лет назад, но полученное только в 1995 году. Свет здесь снова главный: испарительное охлаждение в консервативных ловушках, где самые быстрые атомы покидают облако, а оставшиеся остывают, доводит газ до нужной температуры. А резонансы Фешбаха, управляемые магнитным полем, позволяют менять силу взаимодействия между атомами — от отталкивания до притяжения.

Самый зрелый плод этой науки — атомные часы. В них частота света, поглощаемого атомом, служит маятником, а точность достигает $10^{-18}$: такие часы ошиблись бы на секунду за 30 миллиардов лет. Оптические стандарты уже сейчас на два порядка точнее цезиевых, и в ближайшие годы секунда может быть переопределена через атом стронция или иттербия, а не цезия. В перспективе холодные атомы отправятся в космос, чтобы искать гравитационные волны и проверять принцип эквивалентности.

Атомный интерферометр — прибор, где атомы проходят два пути и интерферируют, как свет в опыте Юнга, — измеряет ускорение свободного падения с точностью до миллиардных долей.

Круг замыкается: свет, который когда-то лишь нагревал вещество, теперь охлаждает его, удерживает, упорядочивает и измеряет. Дирижёрская палочка стала инструментом, открывшим нам квантовый мир, и этот танец атомов продолжает удивлять.

Максимальное ускорение, которое свет сообщает атому натрия при лазерном охлаждении, составляет около 100 000 g — за секунду атом разогнался бы до 1000 км/с, если бы не терял резонанс.

Идея управления атомами светом перекликается с «световыми мечами» и «ловушками» из научной фантастики, но реальные оптические пинцеты и решётки действуют на микроскопическом уровне, удерживая отдельные атомы, а не макроскопические объекты.

Учёные
Satyendra Nath BoseAlbert EinsteinCecilia Payne-GaposchkinLeo EsakiRalph FowlerMax Planck
Понятия
лазерное охлаждение ловушка для атомов ультрахолодные атомы криогенная температура криостат атомное облако охлаждение жидкий гелий гелий низкая температура химия камера затвердевание физика абсолютный ноль переохлаждение тепловое движение калориметр магнитооптическая ловушка атом