Лазерное охлаждение

ЛАЗЕРНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ, уменьшение температуры ансамбля атомных частиц при резонансном или квазирезонансном обмене энергией и импульсом между атомными частицами и лазерным излучением. При этом энергия ансамбля частиц понижается, а энергия излучения повышается. В атомном ансамбле, в котором фотоны не поглощаются, а только рассеиваются, лазерное охлаждение возможно, если возрастает частота рассеянных фотонов, а это происходит при антистоксовом сдвиге частоты. Известны три механизма лазерного охлаждения: доплеровское, субдоплеровское и охлаждение ниже уровня отдачи.

Доплеровское охлаждение. При взаимодействии с лазерным излучением атом поглощает фотон, переходит из основного энергетического состояния в возбуждённое, что приводит к изменению его скорости на величину скорости отдачи V = ħк/М, где ħ- постоянная Планка, к = 2к/Х - волновой вектор, Х - длина волны излучения, М - масса атома. Атом может вернуться в исходное состояние при вынужденном или спонтанном испускании фотона. При вынужденном испускании фотон имеет такое же значение энергии и направление распространения, как и поглощённый фотон, что приводит к обратному изменению скорости атома на величину υ = ħk/М. Спонтанные фотоны излучаются в произвольном направлении, поэтому средний вклад таких фотонов в изменение скорости и импульса атома равен нулю. Таким образом, импульс фотона передаётся атому при стимулированном поглощении и последующем спонтанном испускании фотона. При многократном повторении этого цикла изменение импульса атома равно Δр = Nħk, где N - число циклов. Если направление движения атома противоположно направлению лазерного луча, то происходит замедление атома. Например, атом Na при комнатной температуре имеет скорость около 10⁵ см/с, а скорость отдачи υ = 3 см/с, поэтому, чтобы уменьшить скорость атома до нулевого значения, необходимо реализовать около 10⁴ циклов «поглощение - спонтанное испускание».

При замедлении атома лазерным излучением возникает доплеровский сдвиг между частотой поглощения атома и частотой лазерного излучения, который уменьшает эффективность переизлучения атомом лазерных фотонов и, соответственно, эффективность процесса замедления атома. Доплеровский сдвиг устраняют, изменяя частоту лазерного излучения или частоту атомного перехода (например, в магнитном поле) в процессе замедления атома.

С излучением взаимодействуют не все атомы, а только те, которые имеют скорость вблизи резонанса поглощения. Эти атомы замедляются и из-за эффекта Доплера выходят из резонанса с излучением. Если непрерывно подстраивать частоту лазера, обеспечивая постоянный резонанс атомов с излучением, то происходит замедление всех атомов со скоростью, равной проекции скорости на направление лазерного луча. Применение трёх пар взаимно перпендикулярных встречных лазерных лучей позволяет осуществить замедление всех компонент скорости атомов, т. е. осуществить трёхмерное охлаждение атомного газа. Такое лазерное охлаждение называется доплеровским охлаждением. Процессы поглощения и испускания атомом фотонов случайны по времени и направлениям, это приводит к случайному изменению импульса атома (импульсная диффузия) и увеличению его среднеквадратичного значения, т. е. нагреву атомного ансамбля. Минимальная температура атомов при доплеровском охлаждении определяется равновесием процессов лазерного охлаждения и нагрева из-за импульсной диффузии. Минимальная величина доплеровского лазерного охлаждения (так называемый доплеровский предел) для щелочных атомов равна 100 мкК.

Механизм доплеровского лазерного охлаждения свободно движущихся нейтральных атомов и атомных ионов, локализованных в электромагнитных ловушках, впервые предложен в 1975 году американскими учёными. Первые удачные эксперименты по лазерному охлаждению атомов выполнены в Институте спектроскопии РАН в 1979-81 (В. С. Летохов, В. Г. Миногин, В. И. Балыкин).

Субдоплеровское охлаждение. Атомные частицы характеризуются внутренними степенями свободы (электронные конфигурации и спин) и внешними (импульс и положение центра масс). Сильная взаимосвязь между динамикой внутренних и внешних степеней свободы лежит в основе лазерного охлаждения ниже доплеровского предела. При доплеровском лазерном охлаждении предполагалось, что атом является невырожденной двухуровневой квантовой системой, а лазерное поле - пространственно однородным и неполяризованным. В реальном эксперименте встречные лазерные лучи (охлаждающие ансамбль атомов) могут образовывать неоднородные распределения поля, а атомные состояния являются многоуровневыми и вырожденными по зеемановским подуровням. Например, встречные лазерные лучи с ортогональной поляризацией образуют поля с поляризацией, периодически меняющейся в пространстве. Атом оказывается в периодическом потенциале, зависящем от магнитного подуровня. Двигаясь в таком потенциальном поле, атом будет периодически подниматься вверх, и спускаться вниз между минимумами и максимумами потенциала, при этом его потенциальная энергия превращается в кинетическую и наоборот. Если частота лазерного поля меньше частоты атомного перехода, то в максимуме потенциала существует большая вероятность того, что атом, испустив спонтанный фотон, перейдёт на другой магнитный подуровень (оптическая накачка), где атом имеет минимум потенциала. Разность в потенциальной энергии уносится спонтанно испущенным фотоном. Минимальная температура охлаждения атомов определяется энергией отдачи фотона; этот температурный предел лазерного охлаждения называется однофотонным пределом охлаждения атомов, а механизм охлаждения - субдоплеровским лазерным охлаждением. Однофотонный предел охлаждения щелочных атомов составляет величину около 1 мкК. Субдоплеровское лазерное охлаждение впервые наблюдали с атомами Na в Национальном институте стандартов и технологий США в 1988 (У. Филлипс).

Охлаждение ниже уровня отдачи. В большинстве схем лазерного охлаждения цикл «вынужденное поглощение - спонтанное испускание фотона» никогда не прекращается. Поскольку импульс фотона ħk, передаваемый атому спонтанно испущенным фотоном, является случайным, уменьшить разброс импульса атома δр ниже импульса фотона невозможно. Однако выбором специальных конфигураций лазерных полей, определённых типов атомов и условий их взаимодействия можно преодолеть этот предел и достичь температуры ниже уровня отдачи. Основная идея лазерного охлаждения ниже уровня отдачи состоит в том, чтобы в импульсном пространстве вблизи нулевой скорости атома создать небольшую область, где вероятность поглощения фотонов и скорость переизлучения спонтанных фотонов стремится к нулю. Атом в лазерном поле, совершая вынужденное поглощение - спонтанное испускание фотона, «блуждает» в импульсном пространстве, что может привести его к скоростям υ = 0, когда он уже не поглощает фотоны и защищён от «вредного» воздействия света. Такой тип охлаждения атома обусловлен комбинацией импульсной диффузии и обращения в нуль частоты перескоков случайных блужданий при υ → 0. Существуют две схемы лазерного охлаждения ниже однофотонного уровня отдачи: рамановское охлаждение и охлаждение на основе селективного по скоростям когерентного пленения населённостей. Рамановское охлаждение впервые наблюдалось с атомами Na в Станфордском университете США в 1992 (С. Чу). Достигнутая температура составляет около 100 нК, что соответствует 1/10 энергии отдачи.

В 1997 С. Чу, У. Филлипсу и К. Коэн-Таннуджи была присуждена Нобелевская премия за развитие методов лазерного охлаждения и пленения нейтральных атомов.

Разработанные методы лазерного охлаждения атомов и последующего их пленения используются в спектроскопии сверхвысокого разрешения; при получении новых состояний вещества, таких как Бозе - Эйнштейна конденсация и квантовый ферми-газ; для новых поколений квантовых стандартов частоты; в атомной литографии с нанометровым разрешением.

Лит.: Балыкин В. И., Летохов В. С., Миногин В. Г. Охлаждение атомов давлением лазерного излучения // Успехи физических наук. 1985. Т. 147. № 9; Миногин В. Г., Летохов В. С. Давление лазерного излучения на атомы. М., 1986; Казанцев А. П., Сурдутович Г. И., Яковлев В. П. Механическое действие света на атомы. М., 1991; Balykin V. I., Minogin V. G., Letokhov V. S. Electromagnetic trapping of cold atoms // Reports on Progress in Physics. 2000. Vol. 63. № 9.