Лазерное охлаждение молекул в магнито-оптических ловушках имеет фундаментальный допплеровский предел. Физики из Центра холодной материи в Имперском колледже Лондона впервые смогли преодолеть его.
Визуализация атомного ядра с электронами
© Dmitriy Rybin / Фотодом / Shutterstock
Охлаждение вещества до сверхнизких температур — всего на тысячные и миллионные доли градуса выше абсолютного нуля — важно для многих областей физики и техники, например для создания конденсата Бозе-Эйнштейна или квантовых компьютеров. Часто для этого применяют лазерное охлаждение: облако атомов, запертых в магнитной ловушке, охлаждается воздействием лазерных лучей.
Существует несколько методов лазерного охлаждения. Первый и простой из них — доплеровское охлаждение. Чтобы понять его принцип, нужно представить мячик, обстреливаемый со всех сторон маленькими шариками. Но сталкиваться он может не со всеми, а только с теми, которые движутся ему навстречу. Понятно, что в среднем столкновения будут мешать движению мячика, замедлять его. Если заменить мячик на атом, а маленькие шарики — на фотоны, получится доплеровское охлаждение.
Как добиться того, чтобы атом поглощал только «бьющие в лоб» фотоны? Чтобы, поглотив фотон, атом перешел с низшего на более высокий энергетический уровень, энергия этого фотона должна быть в точности равна расстоянию между этими уровнями (а вернее, отличаться от него не больше чем на «ширину перехода» между ними). Если светить на вещество лучом с меньшей частотой, фотоны не обладают достаточной энергией для возбуждения атомов вещества — поглощения нет.
Но если атом движется навстречу лучу, то из-за эффекта Доплера частота (и энергия) фотона для него увеличивается и поглощение становится возможно. Фотон как бы заимствует недостающую ему энергию у движения атома. Через некоторое время атом снова излучит фотон и перейдет на низший уровень, но этот фотон будет обладать большей энергией. Посредством таких циклов поглощения-излучения тепловая энергия вещества (т.е. кинетическая энергия атомов) постепенно уносится вместе с излученными фотонами — вещество остывает.
Процесс охлаждения не может продолжаться бесконечно, а имеет два принципиальных ограничения. Во-первых, когда атом спонтанно излучает фотон, он сам испытывает отдачу и по-прежнему обладает некоторой кинетической энергией. Никак невозможно охладить атом до температуры, меньшей «температуры отдачи», соответствующей этой энергии. Но есть и другой предел: если температура атомов меньше температуры, соответствующей ширине перехода, то исчезает разница между атомами, движущимися вдоль и против луча, — все они либо поглощают, либо не поглощают фотоны, и принцип охлаждения перестает действовать.
Этот второй предел называется доплеровским. Обычно он гораздо выше предела отдачи: первый, как правило, имеет порядок 1 мкК (миллионная доли градуса выше абсолютного нуля), а второй — десятков и сотен мкК. Чтобы охладить атомы до температур ниже доплеровских, используют разнообразные техники «суб-доплеровского охлаждения» («сизифова», испарительного и т.д.). Одним из таких методов является создание «оптической патоки». Суть его в том, что из-за быстрых изменений поляризации лазерных лучей удается добиться того, что атом по-прежнему поглощает только фотоны, движущиеся навстречу, даже когда его температура ниже доплеровской.
Охлаждение с помощью «оптической патоки» успешно применялось для отдельных атомов, но до сих пор его не удавалось осуществить для молекул, так как молекулы обладают гораздо более сложной структурой энергетических уровней. Физикам из Лондона впервые удалось решить и эту задачу, охладив молекулы CaF до температур порядка 50 мкК, в то время как доплеровский предел был для них около 200 мкК. Это исследование открывает новые перспективы в охлаждении молекул, что может иметь важное практическое значение, например для разработки квантовых компьютеров.
Исследование опубликовано в журнале Nature Physics
Источник: chrdk.ru
