Британские исследователи установили на мультироторный беспилотник магнито-оптическую ловушку и продемонстрировали ее работоспособность в воздухе. Полет длился десять минут, в течение этого времени в ловушке удавалось удерживать до 20 миллионов охлажденных атомов рубидия.

Исследование опубликовано в Atoms.

Увеличение точности физического эксперимента немыслимо без уменьшения температуры. Охлаждение элементов опытной установки не только уменьшает шумы, но и позволяет обнаружить недоступные ранее режимы и фазы материи. Особенно сильно эта идея проявила себя в атомной физике. Массивы ультрахолодных атомов позволили обнаружить бозе-эйнштейновскую конденсацию, создать атомные часы и атомные интерферометры.

Существует несколько методов охлаждения атомов, ионов и молекул до ультрахолодных температур, но все они так или иначе требуют их пленения. Поэтому любая попытка создания мобильной экспериментальной установки начинается с выноса соответствующей ловушки за стены лаборатории. Уже рассказывали о том, как физики и инженеры отправили в космос атомные часы и установку для создания конденсата, а также испытали переносной атомный гравиметр в городских условиях.

Интерес также представляет размещение массивов холодных атомов на беспилотных летательных аппаратах. Уже сейчас они активно используются во множестве приложений, начиная от археологии и геологии и заканчивая лесным хозяйством. Установка на них датчиков на основе холодных атомов способна не только улучшить качество существующего зондирования, но и открыть его новые способы. Для этого, однако, нужно вписаться в строгие требования к размеру, весу и мощности, а также обеспечить устойчивость к движению платформы.

Решить эту задачу вызвался коллектив британских физиков под руководством Майкла Холински (Michael Holynski) из Бирмингемского университета. Им удалось изготовить компактную магнито-оптическую ловушку и поместить на квадрокоптер. Устройство создавало и удерживало облако холодных атомов с характеристиками, сопоставимыми с лабораторными экземплярами, а полевые тесты показали его работоспособность в режиме полета.

Для работы магнито-оптической ловушки и хранения в ней атомов требуется создать вакуум, в котором с помощью лазеров и магнитов будет сформирован удерживающих потенциал. Для откачки воздуха авторы использовали активный ионный и пассивный геттерный насосы, однако в автономном режиме работал только второй. Квадрупольное магнитное поле в установке создавала пара неодимовых магнитов размерами 3 × 3 × 8 миллиметров, конструкция также допускала использование вместо них пары катушек. Свет, использованный для охлаждения и захвата атомов, генерировала волоконная лазерная система с удвоением частоты.

В качестве атомов для захвата исследователи выбрали рубидий, дозаторы которого содержала в себе вакуумная система. Раз в 40 секунд ловушка захватывала атомы после чего их фотографировала камера. На земле число атомов достигало 2,1±0,2×10⁷ с характерным временем загрузки равным 1,47±0,12 секунды, что сопоставимо с аналогами.

График зависимости загрузки ловушки от времени на земле. Во врезе изображена фотография атомного облака (в красной рамке). / Luuk Earl et al. / Atoms, 2022

В качестве носителя для ловушки авторы выбрали беспилотник Vulcan, произведенный Raven UAV Ltd. Дрон без нагрузки способен находиться в воздухе 32 минуты. Нагрузка же магнито-оптической ловушкой суммарной массой 6,56 килограмм сократила это время до 18 минут. Во время полевых тестов беспилотник поднял установку на высоту 10 метров, на которой та генерировала облака холодных атомов в течение 10 минут.

Проделанная исследователями работа – это первая в мире демонстрация того, что ловушки холодных атомов можно разместить на беспилотном летательном аппарате. Тем не менее до создания летающих атомных гравиметров или атомных часов еще пока далеко. По оценкам автором, для реализации гравиметра вес ловушки должен быть уменьшен примерно в 50 раз.