Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) – один из мировых лидеров в области лазерного охлаждения атомов. Сотрудники ФИАНа, работающие в этом направлении, активно сотрудничают со специалистами Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (ФГУП ВНИИФТРИ) – главного метрологического центра страны. Полученные результаты исследований позволили приступить к решению немыслимой ранее задачи – созданию уникального лазера с шириной спектра менее одного герца.

Процесс лазерного охлаждения связан с замедлением атомов в лазерном поле. Находящиеся в постоянном движении атомы рассеивают фотоны (кванты света). Именно поэтому свет (поток фотонов) воздействует на атомы. А если частота его излучения правильно настроена относительно перехода в атоме, частица, попавшая в такой специально подготовленный свет, замедляется. Частица «вязнет» в световом потоке, тормозится и, соответственно, охлаждается до очень низких температур. Существенно ниже тех, что удается получить любым другим способом, например, в криостатах.

Установка лазерного охлаждения – это вакуумная камера, в которую с шести сторон направлены лазерные пучки. Ведь для охлаждения атом надо затормозить по всем трем координатам (возможным направлениям движения). Горячие атомы запускаются в камеру либо в виде пара, либо как пучок. После охлаждения облачко из холодных и пойманных атомов, парящих в вакууме («левитирующих»), выглядит как светящаяся точка. Можно менять количество атомов в облачке от единиц до нескольких миллионов. При отключении излучения лазеров облачко начинает падать под действием силы тяжести.

Говорит доктор физ.-мат. наук Николай Колачевский:

Если охлаждать (при помощи холодильника) газ, он превратится сначала в жидкость, а затем в твердое тело. А у него совершенно другие характеристики по сравнению с отдельными атомами – из-за сильных взаимодействий в решетке вместо тонких уровней возникают зоны, и свойства меняются радикальным образом… Поэтому для решения задачи глубокого охлаждения отдельных частиц криостаты не подходят. Кроме того, предельно достижимые температуры, которые обеспечивают современные криостаты, – порядка 50 милликельвинов, то есть 0,05 К. А в задачах лазерного охлаждения речь идет о микрокельвинах, что на три порядка величины ниже. Охлажденные атомы представляют собой разреженный газ в управляемом режиме, что дает возможность наблюдать ряд специфических эффектов, например, переход в Бозе-конденсированное состояние, изучать квантовую природу этих атомов, а также использовать их в ряде прикладных задач".

Охлаждение нового элемента (а из таблицы Менделеева охлаждена лишь небольшая часть) – отдельная исследовательская работа, ведь у каждого элемента свои специфические уровни энергии, что требует использования лазеров с определенными характеристиками. Такая работа всегда отмечается в профессиональном сообществе. В ФИАНе был впервые охлажден лантаноид тулий ™. Результаты работы будут использованы в исследованиях квантовых взаимодействий при сверхнизких температурах и в прецизионной метрологии.

Для этих исследований есть прикладные задачи, например, связанные с развитием программ ГЛОНАСС и прецизионным позиционированием. Но основное – метрология. Самые точные эталоны частот, самые точные в мире часы, которые снабжают частотой международные лаборатории, базируются сегодня на холодных атомах. Совместные работы в этой области ведут ФИАН и ФГУП ВНИИФТРИ – национальный метрологический институт России.

Наибольший исследовательский интерес в этой области, по словам Николая Колачевского, представляют оптические стандарты. Например, цезиевый фонтан – установка для стандартов частоты, в которой облако холодных атомов цезия подбрасывается вверх и проходит через радиочастотный резонатор лазерного охлаждения, – работает в радиочастотном диапазоне, на мазерном переходе. Если же добиться повышения несущей частоты, можно повысить стабильность и точность, что и достигается в оптических стандартах, базирующихся на лазерных переходах в холодных атомах.

В ФИАНе начинаются опытно-конструкторские работы для стандартов частоты по созданию лазера с шириной спектра менее одного герца. Частота его составит 500 терагерц (5*1014 колебаний в секунду), а электронная стабилизация по специальному резонатору позволит добиться стабильности менее одного «неправильного» колебания в секунду.

Луч такого лазера можно было бы послать на Луну и получить обратно – он сохранил бы свою когерентность и позволил бы наблюдать интерференцию. В прикладном аспекте такие характеристики будут использованы прежде всего при работе со стандартами частоты. Кроме того, возникают совершенно новые возможности при передаче частот. Это может быть сверхстабильная синхронизация приемника-передатчика, особенно при больших потоках информации, без применения синхронизирующих импульсов. Или, например, настройки для считывания сигналов ускорителя частиц с очень высоким синхронным временным разрешением.

По материалам