Это материал изгида Квантовыетехнологии. Партнер
гидаАкадемияРосатома.Что это?Ловушка для газа атомов,
предназначенная для изучения его свойств при сверхнизких
температурах.Атомы и молекулы газов движутся с очень высокой
скоростью в обычных условиях. Так, средняя скорость молекул
кислорода при 0 C составляет 425 м/с, молекул пара воды 570 м/с.1С
такой же скоростью движется пистолетная пуля после выстрела. В
таком состоянии частицы сложно изучать. Их можно замедлить, понизив
их температуру, однако это ведет к их переходу в жидкое и твердое
агрегатные состояния. Этого можно избежать, если провести
охлаждение в вакууме и тем самым поддерживать плотность газа
достаточно низкой. При этом понижение температуры вплоть до минус
270 C не приводит к достаточному замедлению частиц, из-за чего
необходимо стремиться как можно ближе к абсолютному нулю (-273,15
C).Все эти факторы подтолкнули ученых к разработке лазерного
охлаждения в 19701980-х годах. Атомы газа способны
взаимодействовать с фотонами, испускаемыми лазером: так, фотон,
который сталкивается с атомом, может передать ему весь свой
импульс. Однако передача импульса состоится только в случае, если
фотон будет иметь достаточно низкую частоту. Она должна быть
немного ниже необходимой для перехода атома в возбужденное
состояние, то есть с конфигурацией, при которой электроны будут
переходить на верхние орбитали. Соответственно, если фотон и атом
будут двигаться навстречу друг другу, атом поглотит фотон, забрав
его энергию и импульс. Произойдет переход атома в возбужденное
состояние, при котором слегка низкая частота возбуждающего фотона
компенсируется заимствованием кинетической энергии движения атома.
Атом не может долгое время пребывать в возбужденном состоянии,
поэтому вернется в исходное, выделив фотон. Его энергия будет
больше, чем у поглощенного, ведь для перехода была использована
кинетическая энергия атома. В результате чего атом будет постепенно
терять энергию и скорость. Таким образом, чтобы замедлить атом,
необходим интенсивный пучок лазерного света, который будет
многократно врезаться своими фотонами в атомы газа и очень сильно
замедлять их.Впервые работа лазерного охлаждения была
продемонстрирована в 1985 году Стивеном Чу и его сотрудниками
лаборатории Bell Labs в Холмделе, Нью-Джерси. За это достижение в
1997 году он был награжден Нобелевской премией.1 Они использовали
шесть лазерных пучков, разбитыхна встречные пары и
расположенныхперпендикулярно друг другу. В области пересечения
лазерных пучков атомы двигаются как в вязкой жидкости, и поэтому
эта область была названа оптической патокой. Во время первого
эксперимента атомы охлаждались, но не удерживались в области
пересечения, из-за чего они выпадали из нее через секунду. Для
устранения этой помехи в 1987 году была разработана
магнитооптическая ловушка, которая создавала плавно меняющееся
магнитное поле, удерживающее частицы в необходимой
точке.Температура замедленных атомов в результате эксперимента Чу
составила 240 микрокельвинов, скорость 30 сантиметров в секунду.
Какое-то время эти показатели считались максимально возможными,
однако со временем они совершенствовались по мере открытия более
продвинутых методик охлаждения.1На данный момент рекорд принадлежит
команде ученых из MIT, которым удалось охладить атомы газообразного
натрия до 0,5 нанокельвинов.1Чем это интересно для науки?Есть все
основания полагать, что поставленный рекорд также не является
пределом. Уже сейчас команда Российского квантового центра в Нижнем
Новгороде работает над способом достичь более низкой температуры.
Ограничением в эксперименте сотрудников MIT стал небольшой
потенциал энергетических уровней охлаждаемых атомов, из-за чего
расширить газ выше определенной границы не удалось. Если российская
ловушка для газа атомов окажется более эффективной, ученые
планируют опробовать ее на гораздо большем объеме газа. Во время
установления рекорда охладить удалось всего лишь 2000 атомов, тогда
как в новом эксперименте планируется задействовать облако из
миллиарда частиц. Ученые рассчитывают таким образом расширить
представления науки о сверхтекучести газов при сверхнизких
температурах.Почему это важно знать?Возможность доводить газ атомов
до сверхнизких температур это очень ценная возможность для многих
устройств. Наиболее известными из них являются сверхточные
квантовые часы, являющиеся стандартом времени и служащие для
определения расстояния между объектами в спутниковых системах и
астрономических наблюдениях.
