Пятьдесят лет назад лазер был изобретен - в наши дни нельзя представить себе лазеров. Недавно для внимания средств массовой информации был создан новый термин: атомный лазер. Будет ли «лазер для атомов» повторять историю успеха лазера? Возможно ли вообще сделать что-то вроде лазерного луча атомов? И какие технические приложения могут предложить такой атомный лазер?

На самом деле, свет и материя не такие разные, как кажется на первый взгляд. Таким образом, это один из самых ранних результатов квантовой теории, что свет имеет как характеристики волн, так и частицы. Более конкретно, частица, имеющая определенную движущуюся энергию, соответствует плоской волне в пространстве.

Что означает эта концепция для газа в контейнере? Джеймс Клерк Максвелл и Людвиг Больцман нашли в столетии, что скорости и, следовательно, энергия частиц газа подчиняются распределению, ширина которого определяется температурой. Их средняя скорость составляет около одного километра в секунду при комнатной температуре. В волновом изображении де Бройля мы должны описать газ суперпозицией многих монохроматических волн разных частот. Таким образом, обычный газ является материальным аналогом света источника теплового излучения.

Монохроматический материал

Поэтому неплохо спросить монохроматические материальные волны как аналог лазерного луча, т.е. для газовых ансамблей, в которых все частицы движутся с одинаковой скоростью. По аналогии с цветовым фильтром в свете мы могли просто отправить атомы, которые исходят из небольшого отверстия в заполненном газом контейнере через фильтр скорости. Такие методы широко распространены в атомфизике, например, в прецизионной спектроскопии. Но экстремальная неэффективность - большая часть атомов сортируется фильтрацией - ограничивает этот подход.

Если тепловой источник света охлаждается, количество испускаемых фотонов исчезнет по мере уменьшения спектральной ширины. Поэтому это не является подходящим способом монохроматизации. Это различно в случае газов, потому что существует важное различие между фотонами и частицами материи: в отличие от фотонов сохранение частиц имеет место для частиц материи. Таким образом, частицы материала не могут быть легко поглощены и, таким образом, исчезают, как это возможно с фотонами. Охлаждение газов затруднено, потому что измеряемые температуры чрезвычайно низки, но удивительно, что природа немного приближается к нам.

Частицы газа неотличимы как квантовые объекты. Это приводит к тому, что желаемая монохромасия уже достигается при гораздо более высоких температурах, чем в случае различимых частиц. Альберт Эйнштейн первым заметил этот факт, когда прочитал работу над статистикой неразличимых частиц, посланных ему индийским физиком Сатиендранатом Бозе. Вот почему мы сегодня называем это явление конденсацией Бозе-Эйнштейна.

Однако исследователи в лаборатории также должны понимать температуру в несколько сотен нанокельвинов выше абсолютной нулевой точки - нелегкая задача. Охлаждение лазером приносит газ от комнатной температуры до нескольких миллионов Кельвинов, что на восемь порядков. Только самый последний этап охлаждения, в котором температура снова уменьшается на порядок, обусловлен испарением, который должен быть известен всем любителям горячих напитков. Апарирующие атомы в среднем потребляют больше энергии движения, чем средний атом ансамбля.

Атомный лазер из конденсатов Бозе-Эйнштейна?

Это означает, что средняя энергия на единицу движения на атом остается и, следовательно, температура уменьшается. Таким образом, охлаждение и конденсация газов Бозе-Эйнштейна образуют успешный метод получения монохроматических материальных волн. И в средствах массовой информации, и в физике конденсаты Бозе-Эйнштейна, которые получены из магнитных ловушек, часто называют атомными лазерами. Фактически, это почти когерентная материальная волна, хотя и с чрезвычайно низкой интенсивностью. Однако с лазером в реальном смысле это очень мало.

Термин «лазер» означает «усиление света путем вынужденного излучения», т.е. усиление света за счет вынужденного излучения. И стимулированное излучение атомов не может иметь место с конденсатом Бозе-Эйнштейна. Это также отражается на его эффективности, которая значительно отстает от лазера.

Популярность термина атомных лазеров, вероятно, объясняется двумя факторами: сегодня существуют всевозможные лазеров, но для многих мифов, таких как лазерные затмения рыцарей-эди в войне звезд, показывают. И «атом» ошибочно связан многими с атомной электростанцией и атомной бомбой, двумя из следующих гениальных изобретений, которые изменили нашу жизнь. Нам лучше говорить об атомных электростанциях и ядерных бомбах.

Стимулированное излучение материальных волн

Интересно, что процесс, имитирующий лазер для производства монохроматических материальных волн путем вынужденного излучения, вполне мыслим и связан с перспективой того, что одна из бозе-эйнштейновской конденсации значительно превосходит эффективность. Принцип вынужденного излучения применяется не только к фотонам, но и ко всем неразличимым квантовым частицам, принадлежащим к классу бозонов, т.е. к тем частицам, которые имеют одно и то же квантовое состояние. Теоретические предложения для истинного атомного лазера уже найдены в литературе, и экспериментальные группы также приняли этот вопрос.

Особенно горячо обсуждаемое предложение основано на стимулированном процессе амплификации, который контролируется светом. Пучок атомов готовят в возбужденном, но долгоживущем электронном уровне и отправляются через атомную ловушку, которая удерживает только атомы в основном электронном состоянии. Инжектированный свет излучает возбужденные атомы, когда они проходят через атомную ловушку в непродолжительный промежуточный уровень, откуда они спонтанно распадаются и захватывают фотоны в электронное основное состояние.

Из-за их бозонного характера вновь добавленные атомы прекрасно интегрируются в движение атомов, уже присутствующих в атомной ловушке, так что при достаточно высокой скорости новых добавок может нарастать когерентная материальная волна, в которой все атомы движутся на одном и том же шаге. Через отверстие в атомной ловушке может появиться когерентная материальная волна как полезный луч.

Однако экспериментальная реализация лазерно-подобного источника для интенсивных монохроматических материальных волн еще не видна. Основная трудность с вышеупомянутой схемой заключается в том, что уже захваченные атомы могут быть выброшены из атомной ловушки импульсами с возбужденными атомами или поглощением одного из испускаемых фотонов. Это снижает эффективность зарядки настолько сильно, что не может нарастать когерентная волна материала. На языке лазерной технологии можно было бы сказать: лазер не пересекает порог.

И поэтому мы можем ответить на вопросы, поднятые в начале: до сих пор нет такой вещи, как лазер для атомов. И мы можем только догадываться о возможных приложениях на данный момент. То, что мы можем производить сегодня в физических лабораториях, - очень тонкие когерентные материальные волны в виде конденсатов Бозе-Эйнштейна, которые могут быть использованы для интерферометрических детекторов гравитации и ускорения из-за их массы. Для этого уже начались эксперименты, но они еще не достигли чувствительности и практичности альтернативных методов.

Красная нить проходит по городу: она соединяет людей, которые ценят друг друга, восхищаются, находят удивление. Они решают, кому они передадут это: другим, кто работает здесь, внесут особый вклад в этот город, рассматриваются в качестве образцов для подражания в Гамбурге. Эпизод 37: Андреа Каваллери, профессор физики и основной исследователь. Он получил преимущество от реставратора Эппендорфера Ремиджио Полетто.

Здесь профессор Андреа Каваллери работает со своей международной командой, 30 человек из более чем 15 стран. Так обстоит дело на его визитной карточке, обратная сторона которой показывает его как профессора физики в Оксфордском университете. Установлены четыре лазерных пушки, которые посылают свои световые сигналы через сложные, тонко настроенные экспериментальные установки. Каваллери говорит, как не ученый: У нас есть высокоинтенсивные лазеры, которые производят очень короткие вспышки света, которые короче времени, когда атомы должны двигаться, когда они деформируют и изменяют свои свойства, например, когда магнитная система становится немагнитной или изолятор сверхпроводящий, мы хотим понять, как это работает.

Чтобы сделать это, исследователи должны выглядеть быстрее, чем те атомы, которые они наблюдают. Используемые лазеры генерируют импульсы, которые производят тераваттную мощность в десять фемтосекунд - сравнимы со средним потреблением энергии в Европе. Если вы сосредоточите эту энергию, скажем, на кристаллах, говорит Андреа Каваллери, можно деформировать их кристаллические решетки. Электрическое поле лазерного света сильнее, чем энергия связи между двумя атомами. «Таким образом, мы можем создать состояния материи, которые еще не существуют, и если вы можете стабилизировать их, у вас появятся новые материалы».