Пленение и охлаждение одиночных ионов

Одноатомная квантовая «хирургия»: работы Дэвида Вайнленда

Манипуляция квантовым состоянием отдельного иона — не менее трудная с технической точки зрения задача. Конечно, атомы, в отличие от фотонов, никуда не исчезают, и в этом смысле с ними работать проще. Но с другой стороны, длина волны атома (напомним, что в квантовом мире каждой частице соответствует некий волновой процесс) при его движении с обычными скоростями очень мала. Поэтому квантовые эффекты, связанные с поступательным движением (то есть перемещением атома как целого), при обычных температурах незаметны. Для того чтобы заметить квантование поступательного движения, отдельный атом или ион требуется не просто поймать, но и охладить до очень низких температур, порядка милликельвинов и ниже.

В принципе, технология ионных ловушек, в которых заряженные частицы удерживаются в центре переменным электромагнитным полем определенной формы, была разработана полвека назад. Она даже принесла своим создателям, Вольфгангу Паулю и Хансу Демельту, половину Нобелевской премии по физике за 1989 год (подробности см. в нобелевских лекциях: В. Пауль. Электромагнитные ловушки для заряженных и нейтральных частиц // УФН 160, 109–127 (1990) и Х. Демельт. Эксперименты с покоящейся изолированной субатомной частицей // УФН 160, 129–139 (1990)). В 1973 году Вайнленд, Экстром и Демельт сообщили о первых экспериментах с одиночным электроном, плененным в такой ловушке. Демельт придумал для этой системы красивое название «геоний» — этакий искусственный аналог атома, в котором электрон находится в связанном состоянии с Землей (с помощью ловушки, конечно). Целью этих экспериментов было изучение внутренних характеристик электрона, в частности его аномального магнитного момента, и его сравнение с теоретическими предсказаниями (сейчас такого типа измерения составляют целый отдельный раздел метрологии и квантовой электродинамики).

В той же статье 1973 года была упомянута и возможность поимки отдельных ионов. В отличие от одиночных электронов, ионы интересны тем, что у них есть многочисленные внутренние степени свободы, и, поймав такой ион в ловушке, можно его изучить вдоль и поперек. На пути к этой цели в 1975 году была разработана (в том числе и Вайнлендом) методика доплеровского охлаждения ионов. В этом методе на ионы или атомы светят лазерным лучом с частотой, очень близкой к резонансному рассеянию, но только те из них, которые движутся с большой скоростью навстречу световому лучу, рассеивают свет, теряют энергию и тем самым охлаждаются. Эта методика была реализована в 1978 году в экспериментах группы Вайнленда с ионами Mg⁺ и в опытах группы Тошека с ионами Ba⁺. В обоих случаях, правда, это были облачка с несколькими десятками ионов, но спустя пару лет были пойманы отдельные ионы и начато изучение их спектроскопии (работы группы Тошека 1980 года и Вайнленда—Итано 1981 года). В этих статьях было отмечено, кстати, что флуоресцентное свечение одного-единственного иона отлично видно в микроскоп.

В обеих статьях 1980–1981 годов температура иона в ловушке оценивалась в несколько десятков милликельвинов, а это было всё еще многовато для того, чтобы остановить ион (точнее, перевести его в состояние с минимально возможным поступательным движением). Дальнейший прогресс в этой области был связан с новой методикой охлаждения, также разработанной и реализованной Вайнлендом, которая носит название охлаждение по боковой полосе частот (по-английски sideband cooling). На ней стоит остановиться подробнее.

Электронное облако в атоме или ионе имеет большой набор возможных вариантов, как ему «упаковаться» вокруг ядра и как ему организовать спины электронов. Тот вариант, который обладает наименьшей энергией, называется основным состоянием, он стабилен, а варианты с более высокой энергией (возбужденные состояния) спустя некоторое время превращаются в основное состояние с излучением фотона. Кроме того, если атом находится внутри ловушки, то его поступательное движение тоже квантуется, то есть оно тоже может иметь строго определенный вид. У этого движения есть основное состояние, при котором ион практически замирает в центре ловушки (у него остается лишь неустранимое квантовое дрожание, называемое «нулевыми колебаниями»), и целая лестница возбужденных состояний, которые отвечают перемещению туда-сюда со всё большей амплитудой. Энергия возбуждения электронной оболочки на несколько порядков больше энергии возбуждения поступательного движения, и поэтому энергетический спектр иона (в этом грубом приближении) имеет вид, показанный на рис. 6.

Рис. 6. Упрощенная схема энергетического спектра иона: показаны основное и одно возбужденное состояние электронной оболочки, и в обоих случаях отмечены несколько возбужденных состояний поступательного движения

Теперь самое интересное. Физики умеют перебрасывать основное состояние электронной оболочки в возбужденное, причем перебрасывать «прицельно», именно в то возбужденное состояние, которое мы хотим, — для этого надо просто посветить на атом светом с нужной длиной волны. Оказывается, эта комбинация — мы возбуждаем атом так, как нам нужно, а он выходит из этого состояния так, как «он привык», — позволяет охлаждать поступательное движение атомов (рис. 7).

Рис. 7. Идея метода охлаждения по боковой полосе частот. На шаге 1 мы возбуждаем электронную оболочку и слегка уменьшаем поступательное движение. На шаге 2 атом «падает» в основное состояние электронной оболочки, не меняя при этом поступательного движения. Когда мы достигаем низа «лестницы», то ион, находящийся в основном состоянии и электронной оболочки, и поступательного движения, уже никуда не может перейти

Для этого мы берем атом или ион в основном электронном состоянии и с большим поступательным движением и перекидываем его в состояние с возбужденной электронной оболочкой (обычно это просто переворот спина внешнего электрона), но с чуть меньшим поступательным движением. Атом через некоторое время высвечивает фотон и «падает» в основное состояние электронной оболочки, а поступательное движение при этом не меняется. Чистый результат этого двухшагового процесса — поступательное движение слегка уменьшилось. Повторяя эту процедуру раз за разом, мы можем совсем погасить поступательное движение, «посадив» атом в основное состояние (так что останутся только нулевые колебания). И «сев» в это состояние, атом уже не будет возбуждаться, поскольку ему просто некуда перескакивать.

В практической реализации этой идеи было, конечно, немало технических тонкостей — в частности, возбужденному атому приходилось «помогать» побыстрее снимать возбуждение, чтобы достичь нужной скорости охлаждения. Напряженная работа в течение нескольких лет позволила Вайнленду с сотрудниками их преодолеть, и в 1989 году вышла статья, рапортующая о достижении основного квантового состояния поступательного движения иона ртути. Правда, в этой статье локализация была достигнута только в поперечной плоскости, а квантованное движение вдоль оси установки было еще недоступно. Однако несколько лет спустя, в 1995 году, группа Вайнленда достиглаи настоящей трехмерной локализации отдельного иона в основном квантовом состоянии.

Итак, в 1995 году завершилась — во многом благодаря достижениям группы Вайнленда — длившаяся десятилетия эпопея по полной квантовой локализации отдельного иона.

Дата добавления: 2015-05-24