Команда физиков из Ноттингемского университета показала, что 3D-печать деталей для ультрахолодных квантовых экспериментов позволяет им уменьшить размер устройства до одной трети от его обычного размера. Их работа опубликована в журнале Physical Review X Quantum.

Разработка ученых открывает доступ к более быстрому и удобному способу создания небольших, более стабильных, настраиваемых установок для квантовых экспериментов. Сегодня для синтеза ультрахолодных атомов физики применяют лазерный свет и магниты. А полученные атомы используют, например, для идентификации даже самых слабых магнитных полей или создания часов с точностью до квадриллионной секунды.

Поэтому физики давно стремились использовать устройства с ультрахолодными атомами в самых разных условиях: от исследования космоса, где они могут помочь в навигации, до гидрологии, где они могут точно определять местонахождение подземных вод, обнаруживая их гравитационное притяжение. Но сам процесс охлаждения атомов, достаточного для выполнения любой из этих задач, часто бывает сложным и трудным.

Ключ к охлаждению и контролю над атомами — это попадание на них точно настроенного лазерного света. Горячие атомы двигаются со скоростью в сотни километров в час, в то время как чрезвычайно холодные атомы почти неподвижны. Физики следят за тем, чтобы каждый раз, когда на теплый атом попадал лазерный луч, свет падал на него таким образом, чтобы атом терял некоторую энергию, замедлялся и становился холоднее.

Обычно ученые работают на лабораторном столе размером 1,5 м на 2,5 м, на котором установлен «лабиринт» из зеркал и линз — оптических компонентов, которые управляют светом. Чтобы контролировать, где в этой камере находятся все ультрахолодные атомы, физики используют магниты: их поля действуют как «заборы».

По сравнению с ускорителями частиц длиной в несколько километров или большими телескопами эти экспериментальные установки малы. Однако они слишком велики и хрупки, чтобы стать коммерческими и применяться за пределами академических лабораторий. Физики часто тратят месяцы на выравнивание каждого маленького элемента в своих оптических лабиринтах. Даже небольшая встряска зеркал и линз — что может произойти в полевых условиях — приведет к значительным задержкам в работе. Поэтому исследователи из Ноттингема обратились к 3D-печати.

Установка физиков занимает объем меньше 0,15 кубического метра, что немного больше, чем стопка из 10 больших коробок для пиццы.

«Это очень, очень мало. Мы уменьшили размер примерно на 70% по сравнению с обычной установкой», — говорит Сомая Мадхали, аспирантка Ноттингема и первый автор исследования.

Чтобы построить его, она и ее коллеги собрали свою установку из блоков, которые они напечатали на 3D-принтере. Вместо того, чтобы обрабатывать вакуумную камеру из прочных, но тяжелых металлов, команда напечатала ее из более легкого алюминиевого сплава. А линзы и зеркала они вставили в держатель, который также напечатали из полимера.

Полученная миниатюрная установка успешно сработала. Команда загрузила 200 млн атомов рубидия в свою вакуумную камеру и пропустила лазерный свет через все компоненты оптики, заставив свет столкнуться с атомами. Атомы сформировали образец с температурой ниже –267 ºС — точно так же, как ученые делали это с более традиционными приборами в течение последних 30 лет.

Большим преимуществом использования 3D-печати является то, что ученые смогут индивидуально проектировать каждый компонент. Поэтому новое исследование является шагом вперед в том, чтобы сделать этот инструмент для фундаментальных физических исследований более доступным и коммерческим. Физики предполагают, что подобные инструменты будут использоваться за пределами академических кругов, например, компаниями, производящими квантовые датчики, которые улавливают магнитные или гравитационные поля.