Лазерное охлаждение

Лазерное охлаждение — совокупность методов снижения температуры атомов и молекул почти до абсолютного нуля с помощью взаимодействия со светом одного или нескольких лазеров. Все методы лазерного охлаждения опираются на тот факт, что при поглощении или испускании фотона атом изменяет свой импульс. Температура ансамбля частиц пропорциональна дисперсии их скоростей. То есть более однородное распределение атомов по скоростям соответствует более низкой температуре. Методика лазерного охлаждения объединяет атомную спектроскопию и упомянутый эффект изменения импульса атомов для сжатия их распределения по скоростям, то есть для охлаждения.

Первым примером лазерного охлаждения, остающимся до сих пор самым популярным методом (настолько, что его часто называют как раз «лазерным охлаждением»), было доплеровское охлаждение. Среди других методов:

Сизифово охлаждение

Разделённое охлаждение боковой полосы

Рамановское охлаждение

Селективное по скорости когерентное захватывание в ловушки (VSCPT)

Метод серой мелассы

Охлаждение при посредничестве резонатора

Зеемановский замедлитель

Электромагнитно-индуцированная прозрачность

История

Первые попытки

Задолго до появления технологии лазерного охлаждения теория электромагнетизма Максвелла позволила рассчитать силу действия электромагнитного излучения, однако лишь в начале XX века эксперименты П. Н. Лебедева (1901), Николса (1901) и Галла (1903) продемонстрировали эту силу экспериментально. Несколько позже, в 1933 году, Отто Фриш оценил световое давление, действующее на атом. В начале 1970-х годов для манипуляций с атомами начали использовать лазеры, что привело к возникновению в середине 1970-х идеи лазерного охлаждения. Её независимо предложили две группы исследователей: Т. Хенш и А. Л. Шавлов, а также Д. Вайнленд и Х. Демельт. Обе группы в общих чертах описали процесс замедления теплового движения атомов «радиационными силами».

В статье Хенша и Шавлова описывалось действие светового давления на любое тело, отражающее свет, и эта концепция была применена к охлаждению атомов газа. Эти первые предложения лазерного охлаждения опирались исключительно на «силу рассеяния». Позднее было предложено лазерное захватывание — вариант лазерного охлаждения, использующий как силы рассеяния, так и дипольные силы.

В конце 1970-х годов Ашкин описал, как радиационные силы можно использовать одновременно для оптического удержания атомов и их охлаждения. Он подчеркнул, что такой процесс позволил бы проводить длительные спектроскопические измерения без ухода атомов из ловушки, и предложил идею перекрытия оптических ловушек для изучения межатомного взаимодействия.

Вскоре после статьи Ашкина 1978 года две группы исследователей — Вайнленд, Друллингер и Уоллс, а также Нойгаузер, Хоэнштадт, Тошек и Демельт — развили и детализировали эту идею. В частности, Вайнленда, Друллингера и Уоллса интересовало улучшение спектроскопии. Они описали экспериментальную демонстрацию охлаждения атомов световым давлением и, ссылаясь на использование светового давления в оптических ловушках, указали на неэффективность процесса из-за доплеровского эффекта. Пытаясь уменьшить этот эффект, они охладили ионы магния ниже комнатной температуры. Используя электромагнитную ловушку для удержания ионов магния, их облучали лазером с частотой, лишь немного отличающейся от частоты резонансного перехода в атомах. Исследования обеих групп наглядно продемонстрировали механические свойства света. Примерно в это же время технология лазерного охлаждения позволила снизить температуру до примерно 40 кельвинов.

Новейшие достижения

Работа Вайнленда оказала значительное влияние на Уильяма Филлипса, который попытался воспроизвести результат уже для нейтральных атомов. В 1982 году он опубликовал первую статью, посвящённую охлаждению нейтральных атомов. Использованный им процесс сегодня известен как Зеемановский замедлитель[англ.] — с тех пор это стандартный метод замедления атомных пучков. Было достигнуто значение температуры около 240 микрокельвинов, и считалось, что это предельная величина. Однако в эксперименте Стивена Чу была достигнута температура 43 микрокельвина. Новый рекорд объяснили использованием большего числа атомных состояний и поляризации лазерного света, что показало чрезмерную упрощённость прежних моделей лазерного охлаждения.

Прорывы 1970-х и 1980-х годов привели к совершенствованию технологий лазерного охлаждения и к новым открытиям, в ходе которых удалось достичь температур лишь немного выше абсолютного нуля. Лазерное охлаждение было использовано для повышения точности атомных часов и спектроскопических измерений, а также привело к наблюдению нового агрегатного состояния вещества при ультранизких температурах — конденсата Бозе — Эйнштейна, впервые наблюдённого в 1995 году Э. Корнеллом, К. Виманом и В. Кеттерле.

Доплеровское охлаждение

Доплеровское охлаждение обычно сочетается с магнитным захватом с образованием магнито-оптической ловушки и является наиболее распространённым методом лазерного охлаждения. Этот метод используется для охлаждения разреженных газов до предельной температуры, называемой доплеровским пределом охлаждения. Для рубидия-85 этот предел составляет около 150 микрокельвинов.

Доплеровское охлаждение использует лазерный свет с частотой, немного меньшей частоты электронного перехода атома. Благодаря доплеровскому эффекту атомы поглощают больше фотонов, если они движутся навстречу источнику света. При освещении образца с двух противоположных направлений атомы всегда рассеивают больше фотонов из пучка, противоположного направлению их движения. Каждое рассеяние приводит к потере атомом импульса, равной импульсу фотона. Испускание фотонов происходит спонтанно, и направление отдачи случайно, поэтому суммарный эффект поглощения и испускания приводит к уменьшению импульса и скорости атомов. При многократном повторении процесса средняя скорость и кинетическая энергия атомов уменьшаются, что соответствует снижению температуры ансамбля.

Применение

Лазерное охлаждение преимущественно используется для создания систем ультрахолодных атомов в экспериментах по квантовой физике, проводимых при температурах, близких к абсолютному нулю, где проявляются такие квантовые эффекты, как конденсат Бозе — Эйнштейна. В первую очередь метод применяется к ансамблям атомов, однако современные исследования расширяют его использование на более сложные системы. В 2010 году группа исследователей из Йельского университета успешно охладила лазерами двухатомные молекулы. В 2007 году исследователи из МТИ охладили лазерами макрообъект массой 1 грамм до температуры 0,8 К. В 2011 году коллектив из Калтеха и Венского университета впервые охладил лазерным излучением механическое тело размером 10 мкм × 1 мкм до его основного квантового состояния.