Взаимодействие лазерного излучения с веществом широко используется для охлаждения атомных газов до сверхнизких температур. Методика лазерного охлаждения занимает центральное место в современной атомной физике.

Она уже нашла множество приложений, включая атомную оптику и интерферометрию, атомную литографию, спектроскопию высокого разрешения, бозе-эйнштейновскую конденсацию и пр. Одной из ее разновидностей является так называемое “сизифово охлаждение” (Sisyphus cooling): подобно камню мифического персонажа, атом раз за разом, едва достигнув вершины периодического потенциального рельефа, скатывается на его дно (рис.1).

Рис.1. “Сизифово охлаждение” атомов.

(a) При движении атома в периодическом потенциале его потенциальная энергия переходит в кинетическую и обратно, тогда как полная энергия остается постоянной. После каждого периода скорость атома (красная стрелка) не изменяется.

(b) Чтобы охладить атом, нужно забрать у него энергию. Для этого используют два лазерных пучка, направленных навстречу друг другу. Интерферируя, они образуют потенциальный рельеф, в котором энергия двух атомных уровней (зеленые линии) периодически зависит от его координаты. Частоту лазерного излучения подбирают так, чтобы атом поглощал фотон, только находясь в максимуме потенциала. При этом атом сначала переходит в возбужденное состояние (вертикальная красная стрелка), а затем опускается в минимум потенциала, испуская фотон (вертикальная синяя стрелка). В результате энергия атома уменьшается на величину, равную разности энергий испущенного и поглощенного фотонов. После каждого такого цикла движение атома замедляется, то есть он охлаждается.

Рис.2. Сизифово охлаждение и усиление мезоскопических цепей.

Изображены зависимости энергий двухуровнего атома (кубита) от тока в цепи. Цикл 1 → 2 → 3 → 4 – охлаждение. Цикл 1' → 2' → 3' → 4' – усиление. Вертикальные стрелки обозначают процессы поглощения и испускания квантов микроволнового излучения

В работе [1] предложено оригинальное обобщение этой методики на охлаждение мезоскопических электронных устройств. Роль естественных атомов при этом играли двухуровневые “искусственные атомы” (кубиты), представлявшие собой микронные сверхпроводниковые компоненты квантовой цепи, а электрический ток через цепь выполнял функцию Сизифа, которому при этом “мешало” резонансное микроволновое излучение (рис. 2). Интересно, что та же идея может использоваться не только для “сизифова охлаждения”, но и для “сизифова усиления”: камень (кубит) скатывается с горы (переходит на нижний энергетический уровень), а затем поднимается обратно микроволновым фотоном (рис. 2). Просматривается много различных применений предложенной в [1] методики. Например, ее можно использовать для охлаждения наноразмерного механического резонатора, что позволит наблюдать переход резонатора из классического режима колебаний в квантовый.

• 1. M. Grajcar et al., Nature Phys. 4, 612 (2008)