Израильские ученые обнаружили новый способ воздействия на атомы с помощью лазерного излучения. Метод, получивший название электрострикции, позволяет изменять форму атомарных облаков за счет коллективной силы отдачи, возникающей при фокусировке излучения атомами. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Лазерное излучение давно применяется для управления как отдельными атомами, так и их множеством. В простейшем случае при столкновении кванта света (фотона) с атомом, последний испытывает отдачу и приобретает скорость в направлении распространения излучения. Более тонкий метод воздействия на атомы используется в оптических пинцетах, основанные на взаимодействии атомов с электрическим полем оптической волны. Такое взаимодействие приводит к «скатыванию» атомов в области минимума их потенциальной энергии, которые совпадают с областями максимума лазерной интенсивности.

В опубликованной работе авторы утверждают, что им удалось обнаружить новый метод воздействия на атомы при помощи лазерного излучения. Идея заключается в том, что при распространении излучения в облаке, состоящем из многих атомов, оно будет испытывать преломление и фокусироваться — аналогично тому, как свет фокусируется в линзах. Но если изменяется направление распространения света, то следовательно, изменяется и направление связанного с ним импульса. Тогда по закону сохранения импульса должна существовать сила, действующая со стороны лазерного излучения на атомы и приводящая к уширению облака в поперечном направлении.

Эта идея была подтверждена экспериментально. Лазерный импульс пропускался через практически сферическое облако атомов рубидия-87, пойманных в ловушку и находившихся в состоянии конденсата Бозе — Эйнштейна при температуре около 400 нанокельвинов (то есть чуть меньше чем на пол-миллионную долю градуса выше абсолютного нуля). Общее количество пойманных атомов составляло один миллион. Лазерный импульс имел длину волны 780 нанометров, что соответствует красному свету. При этом он был значительно отстроен по частоте от резонансных частот атомов, чтобы исключить значительное взаимодействие с отдельными атомами. Длительность импульса составляла пол-миллисекунды, а его мощность — 8 Вт/см². При этом ширина лазерного пучка и атомарного облака составляли приблизительно один миллиметр.

В результате взаимодействия облако значительно меняло свою форму, расширяясь в несколько раз в поперечном направлении и одновременно значительно сжимаясь в продольном. Сравнение экспериментально полученных параметров облака совпало с теоретическими ожиданиями. Наблюдавшийся эффект сохранялся и при других значениях интенсивности и длительности лазерного импульса, а также при более высоких температурах облака — до 1,1 микровельвина — при которых Бозе-конденсация отсутствовала.

Поскольку эффект является коллективным, то есть представляет собой взаимодействия лазерного излучения с большим количеством атомов, а не с каждым из них отдельным, это означает, что излучение индуцировало некое эффективное взаимодействие между атомами. Авторы полагают, что предложенный ими метод станет важным инструментом для изучения физики холодных атомов, поскольку позволяет оптическим путём относительно тонко настраивать силу этого взаимодействия.

Автор: Артем Коржиманов