Фізики з Університету Каліфорнії розробили новий метод лазерного охолодження атомів, який дозволить знизити температуру частинок до десятитисячних часток кельвіна. Цей метод вперше дозволить вченим працювати з холодними атомами водню, вуглецю, азоту і кисню, охолодження яких неможливо традиційними методами через відсутність ультрафіолетових лазерів з необхідними характеристиками. У його основі лежать оптичні гребінки - лазерне випромінювання, спектр якого складається з безлічі вузьких смуг. Автори сподіваються, що нова методика дозволить моделювати астрофізичні процеси і шукати відмінності у властивостях водню та антиводню. Дослідження опубліковано в журналі, коротко про нього повідомляє.
Захоплені в пастку холодні атоми - зручний модельний об'єкт, на якому фізики вивчають різні явища в твердих тілах, такі як надпровідність або конденсація Бозе - Ейнштейна. Головна їхня перевага - відсутність теплових коливань, які «розмивають» сигнал у реальних системах. Ключовим у створенні таких систем є процес охолодження атомів до температур поблизу абсолютного нуля. Існуючі методики використовують, як правило, доплерівське лазерне охолодження.
Суть доплерівського охолодження полягає в наступному. Хмару попередньо охолодженого газу поміщають у камеру на перехресті променів лазерів. Кожен фотон використовуваних лазерів несе в собі енергію трохи меншу, ніж та, яка потрібна атому газу для переходу в збуджений стан. Через це при поглинанні кванта світла атом витрачає частину своєї кінетичної енергії на перехід у збуджений стан і зменшує свою швидкість. Через короткий проміжок часу атом випускає фотон назад, переходячи в невіднятий стан. Цей цикл повторюється багаторазово, в результаті чого температура атомів газу в хмарі опускається до мільйонних часток кельвіна. Крім того, за рахунок інтерференції в системі виникає магнітооптична пастка, яка змушує атоми формувати періодичні структури.
Однак такий спосіб охолодження зручний не для всіх атомів. Традиційно фізики використовують його для лужних і лужноземельних елементів (наприклад, K, Rb, Cs, Ba, Sr), також їм можна охолоджувати деякі перехідні і неперехідні метали. Але, наприклад, охолодження водню, вуглецю або кисню вимагає лазерів з жорстким ультрафіолетовим випромінюванням - подібні пристрої з безперервним випромінюванням і вузькими спектральними діапазонами недоступні. Разом з тим, існують такі лазери, що працюють в імпульсному діапазоні. Правда, подібні пристрої майже не використовуються для охолодження атомів - це пов'язано з їх спектральними характеристиками. Спектр таких лазерів складається з набору тонких ліній, розташованих на рівних відстанях один від одного - ширина цього набору ліній перевищує ширину спектральних ліній безперервних лазерів, використовуваних для охолодження.
У новій роботі автори скористалися масивом спектральних ліній - оптичною гребінкою - як перевагою імпульсного лазера. Коли атоми поглинали фотон, що відноситься до певного «зубчика» гребінки, вони переходили на віртуальний рівень збудження. Для переходу в перший збуджений стан атом повинен був поглинути фотон з іншого «зубчика». Такий двоступеневий процес замінював традиційне поглинання одного фотона в доплерівському охолодженні. Вчені відзначають, що в попередніх спробах інші групи фізиків використовували для охолодження лише кілька зубчиків з усієї системи, а в їх новому експерименті використовується вся гребінка.
Працездатність методики автори перевірили на традиційному для подібних експериментів рубідії. Вчені охолоджували хмару атомів за допомогою коротких імпульсів оптичних гребінець тривалістю 2-5 пікосекунд. У результаті вдалося досягти температури атомів у 57 мікрокельвінів. За словами фізиків, недоліком методу є невелика швидкість поглинання фотонів (а значить і охолодження) - в 1000 разів менше, ніж у традиційних методах. Це означає, що для ефективного охолодження атомів буде потрібна окрема стадія передохолодження, методику якої ще належить відпрацювати.
Автори припускають, що за допомогою нової методики вдасться створити магнітооптичну пастку для антиводню - речовини, атоми якої складаються з позитрона і антипротона. Згідно з сучасними уявленнями, антиводень повинен володіти точно такими ж енергіями електронних переходів, як і водень. Вимірюючи спектри атомів антиводню, захоплених у пастку, фізики зможуть експериментально перевірити CPT-симетрію, одну з фундаментальних властивостей квантової теорії поля.
Раніше ми повідомляли про незвичайні явища, що спостерігаються при охолодженні атомів іншим способом - взаємодією з нейтральним холодним газом. Виявилося, що при спробі охолодити захоплені в оптичну пастку атоми останні можуть зберігати високу температуру (до 10 кельвинів) навіть при субкельвиновій температурі охолоджуючого газу.