Недавно в нижегородском Институте прикладной физики РАН в тринадцатый раз подвели итоги ежегодного конкурса работ молодых ученых. Одну из первых премий в 50000 рублей вручили научному сотруднику института Кириллу Мартьянову и аспиранту Василию Махалову за работу «Двумерный газ Ферми-атомов». Научный руководитель работы – ведущий научный сотрудник института Андрей Турлапов. В аннотации к работе привлекают слова «впервые в мире»: именно так авторы определяют новизну проведенного ими эксперимента по «приготовлению и прямому наблюдению квазидвумерного газа Ферми-атомов».

Результаты исследования опубликованы в одном из самых рейтинговых физических журналов мира Physical Review Letters.

Рис. 1. Кирилл Мартьянов полагает,
что им по плечу разработка
отечественного варианта сверхточных
атомных часов для ГЛОНАСС.

Для справки: Кирилл Мартьянов – закончил нижегородский физико-математический лицей № 40 и факультет «Высшая школа общей и прикладной физики ННГУ им. Н.И. Лобачевского. С 2002 года работает в ИПФ РАН. После окончания университета занимался астрофизикой, но в 2007 году сменил сферу исследований на атомную физику со специализацией в области лазерного охлаждения и физики ультрахолодных Ферми-систем.

Кирилл, расскажите, что такое «Ферми-атомы» и как приготовить из них «квазидвумерный газ»?

— Мы работаем с атомами лития, существующими в виде двух изотопов – литий-6 (шесть нуклонов в ядре) и литий-7 (семь нуклонов в ядре). Атомы первого изотопа относятся к так называемым Фермионам, атомы второго – к бозонам. Мы работаем с Фермионами. Важно подчеркнуть, что принадлежность частиц к классу Фермионов либо бозонов проявляется только при сверхнизких температурах; если же температуры комнатные, то атомы обоих изотопов ведут себя одинаково.

Что вы понимаете под «сверхнизкими температурами» и как вы эти температуры получаете?

— Нам удалось достичь температуры всего на 10 миллиардных градуса выше абсолютного нуля.

На первом этапе охлаждения мы понижали температуру смеси атомов с помощью относительно новой методики лазерного охлаждения. Для этого на находящееся в вакуумной камере облако атомов лития с шести сторон направляются сходящиеся в одной точке лучи лазеров. Частота лазерного излучения при этом подбирается такой, при которой его взаимодействие с атомами приведёт к уменьшению их кинетической энергии – иными словами, к понижению температуры атомной смеси (напомню, что температура – это мера средней кинетической энергии движения частиц).

Обратимся к несложной кинематической аналогии: представим себе движущуюся тележку, в которой сидит человек и в которую – навстречу движению – бросают снежки. Человек сбрасывает снежки в разные стороны, выбирая направление случайным образом. В результате тележка будет тормозиться. У нас тележка с человеком соответствует охлаждаемому атому лития, а снежки – фотонам лазерного излучения, этими атомами поглощаемым и переизлучаемым.

Рис. 2. Распределение атомов лития-6 в серии
ловушек. Фото, полученное в эксперименте по
приготовлению двумерных систем.

До какой температуры вам удается таким способом охладить атомную смесь?

— До 150 микрокельвин, и это еще достаточно далеко от действительно низких температур На следующем этапе охлаждение осуществляется уже иным способом, условно его можно назвать «выпариванием». Этот процесс происходит в потенциальной яме, содержащей большое число атомов. Понижая стенки ямы, мы способствуем вылету наиболее быстрых атомов за её пределы, что напоминает процесс испарения жидкости, при котором поверхность покидают наиболее быстрые молекулы. «Испарившиеся» атомы уносят с собой излишки энергии, а атомы, оставшиеся в яме, становятся в среднем более холодными. Предупреждая возможный вопрос, замечу, что метод «выпаривания» также не является нашим ноу-хау. Но сооружение соответствующей установки потребовало от нас больших усилий.

А что же тогда вы сделали «впервые в мире»?

— Нашим личным достижением можно считать разработанный и реализованный метод приготовления двумерной смеси Ферми-атомов (атомов лития). Для этого мы создаем специальную конфигурацию электрического поля, формируя пространственную «решётку» из потенциальных ям. Соседние ямы разделяют весьма высокие «стенки». Движению атома в перпендикулярном этим стенкам направлении соответствует определенная система энергетических уровней. Атом движется также и в плоскости, параллельной стенкам. Этому движению соответствует уже другая система уровней энергии.

Движение в перпендикулярном стенкам направлении отсутствует, только если атом занимает нижний из всех возможных для данного направления уровней энергии. Если на нижнем уровне находятся все атомы, систему можно считать двумерной (в параллельной стенкам плоскости движение сохраняется).

Согласно квантовой механике, всегда остается отличной от нуля вероятность туннельного перехода атома между соседними потенциальными ямами. Оценки показывают, что для созданной нами конфигурации потенциала время туннелирования будет существенно превышать длительность эксперимента. Это даёт нам полное право пренебрегать соответствующими движениями атомов. По этой причине атомы лития – когда они находятся на нижнем энергетическом уровне – можно рассматривать как двумерный газ – Ферми-атомов.

Рис. 3. Молодые физики ИПФ РАН и их установка,
на которой выполняли работу «Двумерный газ
Ферми-атомов».

В связи с чем вообще возникла задача приготовления и изучения столь экзотической системы – двумерного Ферми-газа?

— Эксперименты с подобными системами помогут в проверке теорий, описывающих явление высокотемпературной сверхпроводимости.

Может ли ваша работа найти какое-то применение на практике?

— Мы рассчитываем принять участие в разработке отечественного варианта сверхточных атомных часов. Сейчас самые точные в мире атомные часы функционируют в лаборатории Национального института стандартов в США. В них используются так называемые холодные атомы, их получают методом лазерного охлаждения, который применяли и мы в нашем эксперименте. Американская установка занимает полкомнаты, и если наша группа включится в деятельность по разработке часов, то главным направлением работы может стать создание компактного, размером с чемодан, устройства с заданной точностью.

Высокий уровень технологий, продемонстрированный нами в последних экспериментах, дает право ставить перед собой столь амбициозные задачи.

Вероятным заказчиком таких часов в нашей стране могут стать разработчики системы ГЛОНАСС. Крайне желательно, чтобы используемые в национальной системе сверхточные часы производились в национальных же лабораториях. Если отвлечься от ошибок, связанных с влиянием атмосферы, то точность системы глобального позиционирования определяется исключительно точностью используемых системой часов. Если она достигает 10^-15 секунды – то есть часы отстают или уходят вперед на 10^-15 секунды в течение одной секунды – мы можем достаточно верно определять координаты объектов на Земле.

Ни систему GPS, ни систему ГЛОНАСС мы, впрочем, в наших статьях не упоминали. Дело в том, что для создания атомных часов не нужен столь важный для наших исследований уровень охлаждения. Работоспособность атомных часов обеспечивается теми температурами, которых мы достигаем уже на первом этапе нашего исследования.

Кто ещё в мире работает в том же направлении исследований?

— Что касается трехмерных систем, то там конкуренция большая – в мире насчитывается более 10 активно работающих групп. В отношении же двумерных систем прямых конкурентов у нас пока не было, но, скорее всего, они появятся уже в ближайшем будущем. Своей работой мы фактически показали уровень задач, которые можем решать. Исключительно важен сам факт создания исправно работающей установки, где можно приготавливать и изучать газ Ферми-атомов. Наша группа продолжает работать, и мы не ограничиваем область своих интересов только двумерными системами.