Атомная оптика

АТОМНАЯ ОПТИКА, изучает формирование ансамблей и пучков нейтральных атомов, проблемы управления ими и их применение. Атомная оптика сформировалась в самостоятельный раздел в середине 1980-х годов в результате исследований действия сил давления лазерного излучения на поступательное движение атомов. Давление света на твёрдые тела было обнаружено в 1899 году П. Н. Лебедевым, который также предсказал возможность резкого его увеличения в условиях резонансного взаимодействия излучения с атомами. Экспериментальное доказательство передачи импульса от фотона свободному атому получил английский физик О. Фриш (1933), наблюдая отклонение пучка атомов натрия под действием излучения. С изобретением лазера давление света стало методом воздействия на движение атомов. Появились новые идеи по управлению движением атомов: локализация и каналирование атомов в стоячей световой волне, левитация микрочастиц в фокусе лазерного луча, охлаждение атомов и ионов. Экспериментально была обнаружена фокусировка атомов градиентной силой светового давления.

Разнообразные конфигурации лазерных световых полей, статических электрических и магнитных полей позволили построить основные элементы геометрической атомной оптики, аналогичные элементам обычной оптики, - атомные линзы, зеркала, дефлекторы и модуляторы атомных пучков.

Волновые явления в атомной оптике становятся заметными, когда длина волны де Бройля атомов λ_Б становится сравнимой с характерным размером неоднородностей электромагнитного поля. При комнатной температуре λ_Б равна примерно 0,1 нм, что существенно меньше длины волны света. Лазерное охлаждение позволяет понизить температуру атомов почти до абсолютного нуля, лишь на одну миллионную градуса выше. При такой температуре λ_Б атомов становится сравнимой с длиной волны света и начинают заметно проявляться их волновые свойства. Волновой характер свободных атомов обнаруживается в экспериментах, сходных с опытами по дифракции рентгеновских лучей на кристаллах. При этом наблюдению дифракции атомов в лазерном поле стоячей световой волны способствует резонансный характер взаимодействия атомов со светом. На основе различных конфигураций лазерных световых полей и наноструктур созданы когерентные делители атомных пучков, атомные интерферометры, волноводы и аналог оптического лазера - атомный лазер. При температуре, близкой к абсолютному нулю, поведение атомного ансамбля заметно зависит от его спина. Атомы с целым спином (бозоны) при очень малых температурах испытывают Бозе - Эйнштейна конденсацию, при которой они образуют новый тип «когерентного вещества». Первые атомные конденсаты были получены в 1995 году Э. Корнеллом, В. Кеттерле и К. Уайманом (Нобелевская премия, 2001) при использовании лазерного и испарительного охлаждения атомов. Магнитная ловушка, удерживающая атомы конденсата, является аналогом оптического резонатора для фотонов в лазере. Атомы из магнитной ловушки могут быть «выпущены» в определённом направлении (как фотоны через полупрозрачное зеркало оптического резонатора лазера), они образуют когерентный направленный пучок, аналогичный лазерному пучку. Подобное устройство назвали атомным лазером. Значительный интерес к атомным лазерам связан с потенциальной возможностью применения когерентных атомных пучков в высокоточных измерительных приборах и тонких технологиях при создании атомных и молекулярных структур.

Лит.: Миногин В. Г., Летохов В.С. Давление лазерного излучения на атомы. М., 1986; Балыкин В. М., Летохов В. С. Лазерная оптика нейтральных атомных пучков // Успехи физических наук. 1990. Т. 160. Вып. 1; Казанцев А. П.. Сурдутович Г.И., Яковлев В.П. Механическое действие света на атомы. М., 1991.