Новости науки 17.04.02."Умная" ловушка для атомов.

Внимательно и чутко можно относиться не только к человеку, но и к атому. Немецкие ученые создали ловушку для отдельных атомов, которая отслеживает движение атома и подстраивается под него так, чтобы как можно дольше удержать атом.

Обычные технологии лазерного охлаждения и работы с атомами в оптических и магнито-оптических ловушках представляют собой стандартный набор операций, на котором"поведение"отдельных атомов никак не сказывается. В принципе, возможен и другой подход, когда положение атома контролируется с высоким пространственным и временным разрешением и, в зависимости от полученных данных, условия в ловушке изменяются. Подобная схема управления, естественно, подразумевает наличие обратной связи. В статье немецких ученых [1], опубликованной в последнем номере Physical Review Letters, сообщается о первой экспериментальной реализации ловушки для нейтральных атомов с обратной связью.

Рис.1. В верхней части рисунка - использованные стратегии управления ловушкой. Внизу - упрощенная схема экспериментальной установки, мощность накачки регулировалась с помощью акусто-оптического модулятора (Amplitude Control).

Для того, чтобы контролировать положение атома с высоким пространственным и временным разрешением, исследователи использовали оптический резонатор с высокой добротностью (схема эксперимента показана на рис.1). Когда частоты какого-нибудь из атомных оптических переходов, собственной моды резонатора и лазера достаточно близки, коэффициент пропускания резонатора возрастает, в случае, если атом находится внутри резонатора. Если диаметр перетяжки лазерного луча внутри резонатора достаточно мал, коэффициент пропускания резонатора сильно зависит от положения атома. Пользуясь этим фактом, можно организовать несколько вариантов обратной связи.

Первый вариант таков. Атом проходит минимум потенциальной энергии оптической дипольной ловушки и движется до тех пор, пока кинетическая энергия не обратится в ноль; как только атом начнет двигаться в обратном направлении, глубина ловушки резко уменьшается за счет уменьшения интенсивности лазера. При этом, очевидно, кинетическая энергия атома при достижении минимума будет уже существенно меньше, чем изначально. Как только атом подойдет к минимуму, глубина ловушки вновь увеличивается. Путем повторения такой процедуры атом - в идеале - можно остановить в центре ловушки. Другая стратегия удержания атома несколько отличается по своему принципу. За счет спонтанного рассеяния фотонов на атоме последний приобретает дополнительный импульс (подобные процессы ответственны за разогрев атомов, находящихся в оптической ловушке), и, соответственно, чем выше интенсивность лазерного излучения, тем сильнее идет"разогрев" (кавычки - так как здесь разговор идет об отдельном атоме). Поэтому в тот момент, когда атом находится в минимуме потенциальной энергии, нужно уменьшать интенсивность лазера (и, соответственно, глубину ловушки), а когда атом удаляется от минимума, нужно увеличивать интенсивность лазера (и, соответственно, глубину ловушки).

В эксперименте очень слабый поток атомов ⁸⁵Ru от источника, движущихся со скоростью 0.1 - 0.2 м/с проходил сквозь оптический резонатор. Попадание атома в резонатор фиксировалось по увеличению сигнала детектора, после чего подавался останавливающий импульс длительностью 0.15 мс. В дальнейшем применялись различные"стратегии удержания" - как с обратной связью (четвертая картинка в верхней части рисунка, общая для двух вариантов обратной связи, по оси ординат - мощность накачки), так и без нее (первые три картинки, на которых мощность меняется заданным образом). Было установлено, что в случае стратегий с обратной связью время удержания атома было примерно на 30 % больше. Усовершенствование конструкции, безусловно, позволит добиться гораздо лучших результатов.

1. T.Fischer, P.Maunz, P.W.H.Pinske et al. Phys.Rev.Lett., v.88, 163002 (2002).

перейти к началу страницы