Тайна третьей проблемы

Проблемы: первая и вторая

Как же «заморозить» атомы лазером? В первую очередь, их, конечно же, надо держать в виде газа. При обычных температурах каждый атом газа находится в беспорядочном (тепловом) движении, а его скорость составляет сотни метров в секунду. И двигаться он может в каком угодно направлении. Соответственно, он уменьшит свою скорость, если ему «в лоб» что-нибудь направить. И этим «в лоб», как можно догадаться, будет фотон лазерного луча. Поглощая фотон, атом теряет скорость и тормозится. Однако здесь появляется несколько проблем. Первая: поглотив фотон, атом потом его обязательно излучит, причем изотропно, то есть во всех направлениях. В итоге торможение произойдет вдоль лазерного пучка, а в других, перпендикулярных ему, направлениях атом, наоборот, ускорится. Поэтому вместо одного лазерного пучка строят целую трехмерную систему: куда бы частица ни полетела, ее везде настигнет вездесущий луч. В результате на атом действует сила, похожая на вязкое трение, поэтому такую трехмерную конфигурацию называют «оптическая патока». Вторая проблема — если фотон лазера летит не «в лоб» атому, а вслед. Тогда, в теории, атом должен ускориться? Все бы так и было, если бы не эффект Доплера. Многим знаком этот эффект, который заключается в том, что если свет нагоняет движущийся объект, то для наблюдателя его частота меньше, чем для объекта, и, наоборот, больше, если они движутся друг на друга (причем разница в частотах зависит от скорости движения объекта). Поэтому требуется подобрать лазер так, чтобы его частота была чуть меньше той частоты, при которой атом поглощает (назовем ее «нужной»). Если фотон и атом летят навстречу друг другу, то частота лазера «увеличится» до «нужной», атом эффективно поглотит свет и замедлится. А если они летят в одном направлении, частота станет еще меньше «нужной», а значит, эффективность поглощения и ускорения будет невысока. В итоге доминировать будет торможение, заморозка.

Все бы хорошо, но ирония в том, что замедление атома мешает само себе. Дело в том, что величина эффекта Доплера зависит от скорости движения атома: чем она меньше, тем меньше сдвиг в частотах. И если в первый момент лазер подобран как надо, то дальше он становится непригоден — «нужная» частота уже никогда не будет достигнута. И что же, каждый раз менять лазер? Конечно, нет! Меняют частоту поглощения атома! На сцене появляется новый игрок — магнитное поле. Можно добиться такой его конфигурации в пространстве, что при замедлении атома его частота поглощения будет понемногу корректироваться до «нужной», компенсируя «потери», образующиеся от снижения скорости.

Справка STRF.ru:
Подобная возможность связана с эффектом Зеемана — расщеплением (увеличением числа) электронных уровней при движении атома в магнитном поле

Добавив сюда еще магнитное поле специальной формы, атомы можно не только замедлить, но и накопить в определенной точке пространства, не давая им разлетаться.

Справка STRF.ru:
Это, естественно, несколько упрощенное описание магнитооптической ловушки. Чтобы атомы не только замедлялись, но и накапливались в какой-то области, не разлетаясь, применяют магнитное поле сложного характера (так называемое квадрупольное), а лазерный луч особым образом поляризуют

Тем самым достигаются температуры порядка 10^-4 К (100 мкК). Для сравнения: температура кипения жидкого гелия приблизительно 4,2 К, жидкого азота — около 77 К, воды — примерно 373 К.

Ниже 10^-4 К охладить таким методом нельзя из-за ряда физических ограничений, которые, однако, удалось преодолеть группе физиков из Московского физико-технического института (МФТИ) и лаборатории оптики активных сред Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) под руководством профессора Вадима Сорокина.

В 2010 году ученые осуществили захват миллиона атомов тулия — 69-го элемента Периодической таблицы Менделеева.

Их температура оказалась равной 25 микрокельвинов, что соответствует скорости порядка нескольких сантиметров в секунду. «Столь низкие температуры обычно нельзя получить, используя магнитооптическую ловушку (МОЛ), и в данном случае это удалось сделать благодаря уникальной электронной структуре атома тулия», — говорит сотрудник лаборатории Денис Сукачев, принимавший участие в исследованиях.

В конце концов, охлаждение атомов до полуобморочного состояния — это очень интересно, но зачем оно нужно, спросите вы. И будете совершенно правы, потому что никто просто так это не делает.

Во-первых, если МОЛ скомбинировать с другим методом (отгонкой самых «горячих» — если такое слово вообще здесь применимо — атомов, пока в ловушке не останутся самые холодные), то можно опуститься до температур порядка 10^-8 К и получить так называемый конденсат Бозе—Эйнштейна — особое, невероятное состояние вещества, при котором атомы полностью теряют свою индивидуальность и их кластер начинает вести себя как одна частица. Конденсат Бозе—Эйнштейна впервые получен в 1995 году Эриком Корнеллом, Карлом Вейманом и Вольфгангом Кеттерле (они удостоены за это в 2001 году Нобелевской премии по физике), и этот пока еще «молодой» объект наверняка проявит себя в будущем.

Во-вторых, есть вещи и более земные. Такие, как, например, сверхточные оптические атомные часы, которые на основе атомов тулия собирают в лаборатории оптики активных сред ФИАН. Стандартные атомные часы, которые делают сейчас в мире, опаздывают (или спешат) в среднем на 1 секунду в 10 млн лет (самые лучшие — на 1 секунду в 60 млн лет). Рабочие атомы такого инструмента — изотопы цезия с молекулярной массой 133. Эти атомы всегда излучают с одной и той же частотой — логично такой стабильный отрезок времени принять за стандарт. Но ничто в мире не совершенно, и из-за ряда физических ограничений постепенно накапливается ошибка. Тулий — элемент, электронная структура которого даст возможность работать с гораздо меньшей ошибкой.

Справка STRF.ru:
Тулий обладает незаполненной электроном вакансией во внутренней электронной 4f-оболочке. Ученые работают с излучательным переходом тулия, связанным именно с этими оболочками; такой переход экранируется внешними 5s- и 6s-оболочками от взаимодействия с другими атомами. В связи с этим ширина этого перехода очень мала, что и позволяет уменьшить ошибку

«Тулий позволит относительно легко сконструировать часы с точностью порядка 10-16, то есть с отклонением на 1 с в 300 млн лет», — говорит Денис Сукачев.

Самое яркое применение атомных часов — это спутники GPS и ГЛОНАСС (New Scientist, апрель №4, 2011 г.). Определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолетов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи без них невозможны. «Чем точнее часы, тем точнее можно определить местоположение того же автомобиля», — отмечает Сукачев. А это значит, что если российским физикам удастся создать тулиевые часы и сделать их достаточно компактными для размещения на спутнике, то теоретически можно будет отслеживать перемещение объектов с точностью до миллиметра.

Дата добавления: 2015-05-26