Лазерное охлаждение и пленение нейтральных атомов

Начиная с 1976 г., в лаборатории лазерной спектроскопии стали разрабатываться идеи управления (охлаждения, пленения) движением атомов с помощью лазерного излучения. Атом в лазерном поле может поглощать фотоны, переходя при этом в возбужденное состояние, при этом фотоны передают ему свои импульсы. Девозбуждаясь атом переизлучает фотоны по всем возможным направлениям (рис.1А). В результате атом испытывает световое давление в направлении распространения лазерного луча. Возбуждение атома происходит в том случае, когда частота света близка к частоте оптического перехода атома. Атом, с частотой перехода ν0, двигаясь вдоль оси лазерного луча частоты ν, испытывает максимальное световое давление при резонансной скорости V=(ν-ν0 (эффект Допплера), где – длина волны лазерного излучения. Если ν<ν0, то резонанс возникает, когда атом движется против распространения луча и в этом случае атом замедляется (рис.1B). Если атомарный газ со всех сторон облучать лазерным светом с частотой меньше частоты атомного перехода, то в газе увеличивается количество медленных атомов, что и означает уменьшение его температуры. Минимальная температура атомарного газа при лазерном охлаждении составляет 10-6 К.

После первых теоретических работ [1-3] последовали первые успешные эксперименты по замедлению и охлаждению атомов в пучке [4] и его коллимации [5]. Первое в мире лазерное охлаждение атомов было реализовано в Отделе лазерной спектроскопии ИСАН [4,5]. На рис.1C показаны результаты лазерного охлаждения пучка атомов Na. Температура пучка атомов Na была уменьшена от начальной температуры 600 К до 1,5 К (группа В.И.Балыкина). При продольном охлаждении атомов увеличивается их поперечная скорость вследствие флуктационного роста импульса атомов при поглощении и испускании фотонов лазерного света. На определенном этапе продольного охлаждения, продольная скорость становится сравнимой с поперечной, и для дальнейшего охлаждения атомов необходимо поперечное охлаждение пучка. В лаборатории в 1984 г. впервые реализовали такое поперечное охлаждение, при котором была достигнута следующая рекордная температура атомов 0,003 К [6]. Это значение температуры уже близко к так называемому квантовому (Допплеровскому) пределу охлаждения атомов: двухуровневый атом в лазерном поле может быть охлажден до температуры не ниже Тmin=hγ/kB (h – постоянная Планка, γ– однородная ширина линии поглощения атомов, kB – постоянная Больцмана).

Fig6

Рис.1 Лазерное охлаждение атомов: А- принципиальная схема возникновения светового давления на атом; В– схема эксперимента по лазерному охлаждению атомов; C-скоростное распределениен охлажденного атомного пучка ( эксперимент), D -расчет.

Выражение для квантового предела охлаждения атомов впервые получил В.Г.Миногин и др. еще в работе 1977 г. [2]. В этой же работе рассчитана схема трехмерного лазерного охлаждения. Реализация такой идеи оказалась достаточно сложной. Авторы предложили способ облучения атомов шестью лазерными лучами, направленными так, чтобы вдоль каждой из осей координат распространялись два встречных луча. В области пересечения должно создаваться центрально-симметричное световое поле. Лазерное поле такой конфигурации было использовано в 1985 г. группой лаборатории фирмы “Белл” в США. В этом эксперименте была достигнута температура 240 мкК – следующий рекордный результат. Это значение Т совпадает с квантовым пределом hγ/kB.

Все эти эксперименты по охлаждению атомов позволили уменьшить энергию нейтральных атомов до таких величин, при которых стала возможной их пространственная локализация с помощью электрических, магнитных и лазерных полей. Это открыло новые экспериментальные возможности для резкого снижения температуры уже “холодных” атомов и начался новый этап исследований по более глубокому лазерному охлаждению. Хронология всех этих работ показана на рис.2.

Fig7

Рис.2 Прогресс в лазерном охлаждении атомов (ключевые эксперименты), начавшийся с работ, выполненных в Институте спектроскопии в 1981 г.

Лаборатория лазерной спектроскопии была первой в мире, в которой начались эксперименты по контролю движения атомов лазерным излучением. Сегодня, в этом наиболее активном направлении атомной и лазерной физики работают десятки лабораторий мира.

Развитые методы лазерного охлаждения тепловых атомных пучков позволили перейти к решению другой важной физической проблемы: охлаждению релятивистских пучков в накопительных кольцах. Существует много приложений охлажденных релятивистских ионных пучков среди которых наиболее интересными представляются проверки специальной теории относительности и спектроскопические измерения, которые проводятся в различных накопительных кольцах.

Исследования по охлаждению релятивистских ионных пучков проводились в совместных экспериментах на накопительном кольце Ядерного института общества Макса-Планка в г.Хайдельберг (The Test Storage Ring, TSR) Германия [7]. Физика охлаждения ионов в ускорителях существенно отличается от физики получения холодных нейтральных атомов. Проведенные эксперименты с ионными пучками показали, что достижимая минимальная температура ограничена совершенно другими процессами, чем в тепловых пучках. При охлаждении релятивистских пучков помимо величины силы светового давления решающую роль играет так называемый скоростной диапазон действия силы светового давления. Реализованное уменьшение начальной температуры ионов более чем на два порядка позволяет говорить о создании кардинально нового подхода в охлаждении релятивистских ионов в накопительных кольцах.

Существующие методы охлаждения нейтральных и заряженных частиц (атомов, молекул или их ионов) основаны на использовании разного рода диссипативных процессов. Например, электронное охлаждение заряженных частиц осуществляется за счет столкновений горячих ионов с холодным электронным газом, что ведёт к диссипации тепловой энергии ионов к холодным электронам. Этот метод нашел широкое применение в увеличении фазовой плотности быстрых ионных пучков в накопительных кольцах. Наиболее развитый метод охлаждения нейтральных атомов (а также и локализованных ионов), основан на неупругом столкновении нейтральных атомов с фотонами лазерного света.

В лаборатории исследовалась возможность принципиально нового метода понижения температуры нейтральных атомов, основанного на получении информации о трансляционном состоянии (координаты и скорости) индивидуальных атомов и использовании этой информации для разделения медленных и быстрых атомов. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению температуры части первоначального ансамбля атомов и, соответственно, к повышению его фазовой плотности. Такой метод был назван “информационным охлаждением нейтральных атомов” [8-9].

Литература
1. V.S.Letokhov, V.G.Minogin and B.D. Pavlik. Cooling and trapping of atoms and molecules by resonant laser-field. Optics Comm. 19, 72 (1976);
2. V.S.Letokhov, V.G.Minogin and B.D. Pavlik, ЖЭТФ 72, 1328 (1977)
3. V.S.Letokhov and B.D.Pavlik. Spectral Ione Narrowing in Gas by Atoms Trapped in a Standing Light Wave. Appl. Phys. 9, 229 (1976).
4. В.И.Балыкин, В.С.Летохов, В.И.Мишин. Охлаждение атомов Nа резонансным лазерным излучением. Письма в ЖЭТФ 29, 614 (1979); ЖЭТФ 78 1376 (1980).
5. С.В.Андреев, В.И.Балыкин, В.С.Летохов, В.Г.Миногин. Радиационное замедление до 1.5 К и монохроматизация пучка атомов Na встречным лазерным лучом. Письма в ЖЭТФ 34, 463 (1981); ЖЭТФ 82, 1429 (1982).
6. В.И.Балыкин и др. Радиационная коллимация атомного пучка, путем двухмерного охлаждения лазерным излучением. Письма в ЖЭТФ 40, 251 (1984); JOSA B2, 1776 (1985).
7. S.Schroder, R.Klein, N.Boos, M.Gerhard, R.Grieser, G.Huber, A.Karafillidis, M.Krieg, T.Kuhl, R.Nemann, V.Balykin, M.Grieser, D.Habs, E.Jaeschke, D.Kramer, M.Kriestensen, M.Music, W.Petrich, D.Schwalm, P.Sigray, M.Steck, B.Wanner, and A.Wolf. First laser cooling of relativistic ions in storage ring. Phys. Rev. Letts. 64, 2901-2904 (1990).
8. V.I.Balykin, V.S.Letokhov. On the possibility of "informational" cooling of neutral atoms. JETP Lett. 72, 11 (2000).
9. V.I. Balykin, V.S.Letokhov. Information cooling of neutral atoms. Phys. Rev. A64, 063410 (2001).