В лаборатории оптики активных сред Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) завершена серия экспериментов по исследованию взаимодействия фемтосекундного излучения с ансамблем холодных атомов рубидия с применением магнитооптической ловушки. Получена возможность использовать такую ловушку как чувствительный инструмент для изучения процессов с маленьким сечением (низкой вероятностью), возможность отслеживать и измерять слабые квантовые эффекты. О работе рассказывает старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук Алексей Акимов.

Магнитооптическая ловушка – это закрытый вакуумный объем, в котором есть источник рубидия и лазерное излучение, которое его охлаждает. В этом объеме находятся открытые металлические емкости – «лодочки», содержащие соль рубидия с восстановителем. При нагреве лодочек до нескольких сотен градусов по Цельсию (электрическим током) рубидий высвобождается.

Летящие атомы охлаждаются – замедляются световым полем шести лазерных пучков. Абсолютно охладить рубидий в ловушке нельзя, есть некоторый предел, который определяется балансом сил, действующих на атом со стороны светового поля. Типичная температура в магнитооптической ловушке для рубидия – 300 мкК. Это означает, что скорость атома, которая при комнатной температуре составляет около 300 м в секунду, уменьшается до десятков сантиметров в секунду. В результате примерно десять миллионов атомов, имеющих такую скорость, удерживаются в ловушке в объеме порядка сотен микрон. Это довольно большая оптическая плотность. Свечение такого густого атомного облака хорошо видно невооруженным глазом – это светящаяся точка.

В эксперименте исследовалось взаимодействие уже холодных атомов с фемтосекундным излучением. Это дополнительное (помимо охлаждающего) излучение. Использовались два пробных лазера. Фемтосекундный и еще один непрерывный лазер, светящий сбоку.

Фемтосекундный импульсно-периодический лазер характеризуется широким линейчатым спектром излучения. Этот спектр состоит из большого количества мод, каждую из которых можно рассматривать как отдельный лазер. А значит, посветив на ловушку системой многих лазеров, можно получить отклик сразу на все длины волн. Это может быть использовано в спектроскопии молекул. Известно, что некоторые химические реакции (фоточувствительные) можно контролировать с помощью света. «Засветив» определенную фазу реакции, можно повлиять на ее продукт. Зачастую для такого процесса требуется довольно много лазеров. А специально модифицированное излучение фемтосекундного лазера позволяет сделать это с помощью одного источника.

При настройке фемтосекундного лазера близко к одному из переходов атома рубидия наблюдалось взаимодействие одной лазерной моды с атомом. Взаимодействие это оказывается очень слабым, потому что мощность одной моды (монохроматической частоты) составляет всего 10–5 от мощности всего излучения. Но, тем не менее, это слабое взаимодействие можно увидеть, так как его сопровождает процесс ионизации всей мощностью фемтосекундного излучения. Оказалось, что процесс можно разворачивать в любую сторону: можно измерить ионизацию таким способом, а можно – слабое возбуждение через ионизацию.

Фемтосекундное излучение одновременно взаимодействует с ансамблем как непрерывный лазер и как мощный ионизирующий лазер. Магнитооптическая ловушка оказалась инструментом, чувствительным к очень тонким и слабым эффектам за счет длительного (секунды) времени жизни холодных атомов в ней.