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.

Реклама

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 λБ становится сравнимой с характерным размером неоднородностей электромагнитного поля. При комнатной температуре λБ 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 λБ 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.

В. И. Балыкин.

м