Исследователи из университета Саутгемптона (University of Southampton), Великобритания, разработали и продемонстрировали работоспособность нового метода лазерного охлаждения. В отличие от других подобных методов, новый метод работает за счет вмешательства явления интерференции волн вещества, и его можно использовать не только для охлаждения до сверхнизких температур отдельных атомов, но и более крупных объектов молекулярного масштаба.
Следует отметить, что
возможность получения охлажденных до сверхнизких температур атомов в свое время произвела буквально революцию в некоторых областях экспериментальной атомной физики. Сделанные за счет этого открытия дали массу практических результатов, таких, как атомные часы, являющиеся сердцем системы спутниковой навигации GPS, квантовые криптографические устройства, при помощи которых кодируется конфиденциальная информация, и квантовые вычислительные системы, которым пророчится большое будущее.
Однако, существующая технология охлаждения до сверхнизких температур основана на резонансе, который заставляет атомы излучать более высокоэнергетические фотоны, нежели поглощенные ими фотоны лазерного света. Несложно догадаться, что такие технологии работают только по отношению к отдельным атомам, да и то, далеко не всех веществ, а только тех, которые имеют определенную конфигурацию структуры верхнего электронного слоя. В результате этого, таким способом можно охладить атомы небольшой части химических элементов и считанные единицы простых двухатомных молекул.
Идея новой технологии лазерного охлаждения, реализованной учеными из Саутгемптона, была предложена в 2000-м году физиками Мартином Вайцем (Martin Weitz) и Тедом Хэншем (Ted Hansch), лауреатом Нобелевской премии.
И самой отличительной чертой новой технологии является то, что она одинаково эффективно будет работать по отношению к отдельным атомам и большим молекулам, состоящим из десятков атомов различных элементов.
В новой технологии используется квантовое воздействие так называемых волн вещества, возникающих под влиянием света лазера. Атомы, из которых состоят эти волны, помещаются в состояние квантовой суперпозиции импульсом света лазера. Это означает, что один и тот же атом движется одновременно по двум путям, которые пересекаются позже в точке, в которой состояние суперпозиции разрушается. Импульс, который приобретает или теряет атом в точке пересечения квантовых путей, зависит от разницы в расстояниях и траектории этих путей. А если быть еще точнее, то импульс зависит от различия энергетической составляющей движения по двум траекториям и энергии фотонов лазерного света, которые заставили этот атом начать движение.
Не вдаваясь в дебри происходящих на квантовом уровне процессов можно сказать, что, реализуя данную технологию, ученые заставили лазерный свет взаимодействовать с атомами таким образом, что бы убрать из уравнения потенциальную (электронную) энергию атома, оставив вмешательство, базирующееся исключительно на кинетической энергии квантово-механического движения атома. В принципе, такой же самый эффект может использоваться не только для охлаждения, но и для создания сверхвысокочувствительного измерительного оборудования.
Демонстрируя работоспособность технологии, ученые охладили атомы рубидия практически до значения фундаментального температурного предела. И это стало показателем того, что ученым успешно удалось сделать механизм охлаждения полностью независимым от электронной структуры охлаждаемого вещества.
«Наше достижение позволит расширить область сверхнизкотемпературных исследований практически на все стабильные элементы периодической системы и на большие молекулы сложных химических соединений» – рассказывает доктор Алекс Даннинг (Dr Alex Dunning), – «Это, в свою очередь, позволит нам исследовать новые области фундаментальных процессов и разработать новые технологии, которые станут работать на пользу людям».
