ЛА́ЗЕРНОЕ ОХЛАЖДЕ́НИЕ

ЛА́ЗЕРНОЕ ОХЛАЖДЕ́НИЕ, умень­ше­ние темп-ры ан­самб­ля атом­ных час­тиц при ре­зо­нанс­ном или ква­зи­ре­зо­нанс­ном об­ме­не энер­ги­ей и им­пуль­сом ме­ж­ду атом­ны­ми час­ти­ца­ми и ла­зер­ным из­лу­че­ни­ем. При этом энер­гия ан­самб­ля час­тиц по­ни­жа­ет­ся, а энер­гия из­лу­че­ния по­вы­ша­ет­ся. В атом­ном ан­самб­ле, в ко­то­ром фо­то­ны не по­гло­ща­ют­ся, а толь­ко рас­сеи­ва­ют­ся, Л. о. воз­мож­но, ес­ли воз­рас­та­ет час­то­та рас­се­ян­ных фо­то­нов, а это про­ис­хо­дит при ан­ти­сто­ксо­вом сдви­ге час­то­ты. Из­вест­ны три ме­ха­низ­ма Л. о.: до­п­ле­ров­ское, суб­до­п­ле­ров­ское и ох­лаж­де­ние ни­же уров­ня от­да­чи.

Доплеровское охлаждение

При взаи­мо­дей­ст­вии с ла­зер­ным из­лу­че­ни­ем атом по­гло­ща­ет фо­тон, пе­ре­хо­дит из осн. энер­ге­тич. со­стоя­ния в воз­бу­ж­дён­ное, что при­во­дит к из­ме­не­нию его ско­ро­сти на ве­ли­чи­ну ско­ро­сти от­да­чи $v=ℏ\boldsymbol k/M$, где $ℏ$ – по­сто­ян­ная План­ка, $\boldsymbol k=2π/λ$ – вол­но­вой век­тор, $λ$  – дли­на вол­ны из­лу­че­ния, $M$ – мас­са ато­ма. Атом мо­жет вер­нуть­ся в ис­ход­ное со­стоя­ние при вы­ну­ж­ден­ном или спон­тан­ном ис­пус­ка­нии фо­то­на. При вы­ну­ж­ден­ном ис­пус­ка­нии фо­тон име­ет такое же зна­че­ние энер­гии и на­прав­ле­ние рас­про­стра­не­ния, как и по­гло­щён­ный фо­тон, что при­во­дит к об­рат­но­му из­ме­не­нию ско­ро­сти ато­ма на ве­ли­чи­ну $\boldsymbol v=ℏ\boldsymbol k/M$. Спон­тан­ные фо­то­ны из­лу­ча­ют­ся в про­из­воль­ном на­прав­ле­нии, по­это­му сред­ний вклад та­ких фо­то­нов в из­ме­не­ние ско­ро­сти и им­пуль­са ато­ма ра­вен ну­лю. Т. о., им­пульс фото­на пе­ре­да­ёт­ся ато­му при сти­му­ли­ро­ван­ном по­гло­ще­нии и по­сле­дую­щем спон­тан­ном ис­пус­ка­нии фо­то­на. При мно­го­крат­ном по­вто­ре­нии это­го цик­ла из­ме­не­ние им­пуль­са ато­ма рав­но $Δp=Nℏ𝑘$, где $N$ – чис­ло цик­лов. Ес­ли на­прав­ле­ние дви­же­ния ато­ма про­ти­во­по­лож­но на­прав­ле­нию ла­зер­но­го лу­ча, то про­ис­хо­дит за­мед­ле­ние ато­ма. Напр., атом Na при ком­нат­ной темп-ре име­ет ско­рость ок. 10⁵ см/с, а ско­рость от­да­чи $v= 3$ см/с, по­это­му, что­бы умень­шить ско­рость ато­ма до ну­ле­во­го зна­че­ния, не­об­хо­ди­мо реа­ли­зо­вать ок. 10⁴ цик­лов «по­гло­ще­ние – спон­тан­ное ис­пус­ка­ние».

При за­мед­ле­нии ато­ма ла­зер­ным из­лу­че­ни­ем воз­ни­ка­ет до­п­ле­ров­ский сдвиг ме­ж­ду час­то­той по­гло­ще­ния ато­ма и час­то­той ла­зер­но­го из­лу­че­ния, ко­то­рый умень­ша­ет эф­фек­тив­ность пе­ре­из­лу­че­ния ато­мом ла­зер­ных фо­то­нов и, со­ответ­ст­вен­но, эф­фек­тив­ность про­цес­са за­мед­ле­ния ато­ма. До­п­ле­ров­ский сдвиг уст­ра­ня­ют, из­ме­няя час­то­ту ла­зер­но­го из­лу­че­ния или час­то­ту атом­но­го пе­ре­хо­да (напр., в маг­нит­ном по­ле) в про­цес­се за­мед­ле­ния ато­ма.

С из­лу­че­ни­ем взаи­мо­дей­ст­ву­ют не все ато­мы, а толь­ко те, ко­то­рые име­ют ско­рость вбли­зи ре­зо­нан­са по­гло­ще­ния. Эти ато­мы за­мед­ля­ют­ся и из-за эф­фек­та Доп­ле­ра вы­хо­дят из ре­зо­нан­са с из­лу­че­ни­ем. Ес­ли не­пре­рыв­но под­страи­вать час­то­ту ла­зе­ра, обес­пе­чи­вая по­сто­ян­ный ре­зо­нанс ато­мов с из­лу­че­ни­ем, то про­ис­хо­дит за­мед­ле­ние всех ато­мов со ско­ро­стью, рав­ной про­ек­ции ско­ро­сти на на­прав­ле­ние ла­зер­но­го лу­ча. При­ме­не­ние трёх пар вза­им­но пер­пен­ди­ку­ляр­ных встреч­ных ла­зер­ных лу­чей по­зво­ля­ет осу­ще­ст­вить за­мед­ле­ние всех ком­по­нент ско­ро­сти ато­мов, т. е. осу­ще­ст­вить трёх­мер­ное ох­ла­ж­де­ние атом­но­го га­за. Та­кое Л. о. на­зы­ва­ет­ся до­п­ле­ров­ским ох­ла­ж­де­ни­ем. Про­цес­сы по­гло­ще­ния и ис­пус­ка­ния ато­мом фо­то­нов слу­чай­ны по вре­ме­ни и на­прав­ле­ни­ям, это при­во­дит к слу­чай­но­му из­ме­не­нию им­пуль­са ато­ма (им­пульс­ная диф­фу­зия) и уве­ли­че­нию его сред­не­квад­ра­тич­но­го зна­че­ния, т. е. на­гре­ву атом­но­го ан­самб­ля. Ми­ним. темп-ра ато­мов при до­п­ле­ров­ском ох­ла­ж­де­нии оп­ре­де­ля­ет­ся рав­но­ве­си­ем про­цес­сов Л. о. и на­гре­ва из-за им­пульс­ной диф­фу­зии. Ми­ним. ве­ли­чи­на до­п­ле­ров­ско­го Л. о. (т. н. до­п­ле­ров­ский пре­дел) для ще­лоч­ных ато­мов рав­на 100 мкК.

Ме­ха­низм до­п­ле­ров­ско­го Л. о. сво­бод­но дви­жу­щих­ся ней­траль­ных ато­мов и атом­ных ио­нов, ло­ка­ли­зо­ван­ных в элек­тро­маг­нит­ных ло­вуш­ках, впер­вые пред­ло­жен в 1975 амер. учё­ны­ми. Пер­вые удач­ные экс­пе­ри­мен­ты по Л. о. ато­мов вы­пол­не­ны в Ин-те спек­тро­ско­пии РАН в 1979–81 (В. С. Ле­то­хов, В. Г. Ми­но­гин, В. И. Ба­лы­кин).

Суб­до­п­ле­ров­ское ох­ла­ж­де­ние. Атом­ные час­ти­цы ха­рак­те­ри­зу­ют­ся внут­рен­ни­ми сте­пе­ня­ми сво­бо­ды (элек­трон­ные кон­фи­гу­ра­ции и спин) и внеш­ни­ми (им­пульс и по­ло­же­ние цен­тра масс). Силь­ная взаи­мо­связь ме­ж­ду ди­на­ми­кой внут­рен­них и внеш­них сте­пе­ней сво­бо­ды ле­жит в ос­но­ве Л. о. ни­же до­п­ле­ров­ско­го пре­де­ла. При до­п­ле­ров­ском Л. о. пред­по­ла­га­лось, что атом яв­ля­ет­ся не­вы­ро­ж­ден­ной двух­уров­не­вой кван­то­вой сис­те­мой, а ла­зер­ное по­ле – про­стран­ст­вен­но од­но­род­ным и не­по­ля­ри­зо­ван­ным. В ре­аль­ном экс­пе­ри­мен­те встреч­ные ла­зер­ные лу­чи (ох­ла­ж­даю­щие ан­самбль ато­мов) мо­гут об­ра­зо­вы­вать не­од­но­род­ные рас­пре­де­ле­ния по­ля, а атом­ные со­сто­я­ния яв­ля­ют­ся мно­го­уров­не­вы­ми и вы­ро­ж­ден­ны­ми по зее­ма­нов­ским по­ду­ров­ням. Напр., встреч­ные ла­зер­ные лу­чи с ор­то­го­наль­ной по­ля­ри­за­ци­ей об­ра­зу­ют по­ля с по­ля­ри­за­ци­ей, пе­рио­ди­че­ски ме­няю­щей­ся в про­стран­ст­ве. Атом ока­зы­ва­ет­ся в пе­рио­дич. по­тен­циа­ле, за­ви­ся­щем от маг­нит­но­го по­ду­ров­ня. Дви­га­ясь в та­ком по­тен­ци­аль­ном по­ле, атом бу­дет пе­рио­ди­че­ски под­ни­мать­ся вверх и спус­кать­ся вниз ме­ж­ду ми­ни­му­ма­ми и мак­си­му­ма­ми по­тен­циа­ла, при этом его по­тен­ци­аль­ная энер­гия пре­вра­ща­ет­ся в ки­не­ти­че­скую и на­обо­рот. Ес­ли час­то­та ла­зер­но­го по­ля мень­ше час­то­ты атом­ного пе­ре­хо­да, то в мак­си­му­ме по­тен­циа­ла су­щест­ву­ет боль­шая ве­ро­ят­ность то­го, что атом, ис­пус­тив спон­тан­ный фо­тон, пе­рей­дёт на др. маг­нит­ный по­ду­ро­вень (оп­ти­че­ская на­кач­ка), где атом име­ет ми­ни­мум по­тен­циа­ла. Раз­ность в по­тен­ци­аль­ной энер­гии уно­сит­ся спон­тан­но ис­пу­щен­ным фо­то­ном. Ми­ним. темп-ра ох­ла­ж­де­ния ато­мов оп­ре­де­ля­ет­ся энер­ги­ей от­да­чи фо­то­на; этот тем­пе­ра­тур­ный пре­дел Л. о. на­зы­ва­ет­ся од­но­фо­тон­ным пре­де­лом ох­ла­ж­де­ния ато­мов, а ме­ха­низм ох­ла­ж­де­ния – суб­до­п­ле­ров­ским Л. о. Од­но­фо­тон­ный пре­дел ох­ла­ж­де­ния ще­лоч­ных ато­мов со­став­ля­ет ве­ли­чи­ну ок. 1 мкК. Суб­до­п­ле­ров­ское Л. о. впер­вые на­блю­да­ли с ато­ма­ми Na в Нац. ин-те стан­дар­тов и тех­но­ло­гий США в 1988 (У. Фил­липс).

Ох­ла­ж­де­ние ни­же уров­ня от­да­чи. В боль­шин­ст­ве схем Л. о. цикл «вы­ну­ж­ден­ное по­гло­ще­ние – спон­тан­ное ис­пус­ка­ние фо­то­на» ни­ко­гда не пре­кра­ща­ет­ся. По­сколь­ку им­пульс фо­то­на $ℏ𝑘$, пе­ре­да­вае­мый ато­му спон­тан­но ис­пу­щен­ным фо­то­ном, яв­ля­ет­ся слу­чай­ным, умень­шить раз­брос им­пуль­са ато­ма $δp$ ни­же им­пуль­са фо­то­на не­воз­мож­но. Од­на­ко вы­бо­ром спец. кон­фи­гу­ра­ций ла­зер­ных по­лей, оп­ре­де­лён­ных ти­пов ато­мов и ус­ло­вий их взаи­мо­дей­ст­вия мож­но пре­одо­леть этот пре­дел и дос­тичь темп-ры ни­же уров­ня от­да­чи. Осн. идея Л. о. ни­же уров­ня от­да­чи со­сто­ит в том, что­бы в им­пульс­ном про­стран­ст­ве вбли­зи ну­ле­вой ско­ро­сти ато­ма соз­дать не­боль­шую об­ласть, где ве­ро­ят­ность по­гло­ще­ния фо­то­нов и ско­рость пе­ре­из­лу­че­ния спон­тан­ных фо­то­нов стре­мит­ся к ну­лю. Атом в ла­зер­ном по­ле, со­вер­шая вы­ну­ж­ден­ное по­гло­ще­ние – спон­тан­ное ис­пус­ка­ние фо­то­на, «блу­ж­да­ет» в им­пульс­ном про­стран­ст­ве, что мо­жет при­вес­ти его к ско­ро­стям $v=0$, ко­гда он уже не по­гло­ща­ет фо­то­ны и за­щи­щён от «вред­но­го» воз­дей­ст­вия све­та. Та­кой тип ох­ла­ж­де­ния ато­ма обу­слов­лен ком­би­на­ци­ей им­пульс­ной диф­фу­зии и об­ра­ще­ния в нуль час­то­ты пе­ре­ско­ков слу­чай­ных блу­ж­да­ний при $v→0$. Су­ще­ст­ву­ют две схе­мы Л. о. ни­же од­но­фо­тон­но­го уров­ня от­да­чи: ра­ма­нов­ское ох­ла­ж­де­ние и ох­ла­ж­де­ние на ос­но­ве се­лек­тив­но­го по ско­ро­стям ко­ге­рент­но­го пле­не­ния на­се­лён­но­стей. Ра­ма­нов­ское ох­ла­ж­де­ние впер­вые на­блю­да­лось c ато­ма­ми Na в Стан­форд­ском ун-те США в 1992 (С. Чу). Дос­тиг­ну­тая темп-ра со­став­ля­ет ок. 100 нК, что со­от­вет­ст­ву­ет ¹/₁₀ энер­гии от­да­чи.

В 1997 С. Чу, У. Фил­лип­су и К. Ко­эн-Тан­нуд­жи бы­ла при­су­ж­де­на Но­бе­лев­ская пр. за раз­ви­тие ме­то­дов ла­зер­но­го ох­ла­ж­де­ния и пле­не­ния ней­траль­ных ато­мов.

Раз­ра­бо­тан­ные ме­то­ды Л. о. ато­мов и по­сле­дую­ще­го их пле­не­ния ис­поль­зу­ют­ся в спек­тро­ско­пии сверх­вы­со­ко­го раз­ре­ше­ния; при по­лу­че­нии но­вых со­стоя­ний ве­ще­ст­ва, та­ких как Бо­зе – Эйн­штей­на кон­ден­са­ция и кван­то­вый фер­ми-газ; для но­вых по­ко­ле­ний кван­то­вых стан­дар­тов час­то­ты; в атом­ной ли­то­гра­фии с на­но­мет­ро­вым раз­ре­ше­ни­ем.