Впервые удалось получить Бозе-конденсат находящихся в основном состоянии атомов, имеющих два электрона на внешней электронной оболочке.

Одним из важнейших достижений физики последнего десятилетия XX века , было наблюдение явления Бозе-конденсации атомов при сверхнизких (сотни нанокельвинов) температурах. Помимо огромного значения экспериментов с атомными Бозе-конденсатами для фундаментальной науки (см., например, новости "экспериментальное наблюдение преобразований Боголюбова" и "Ферми- газ и сверхтекучесть"), открылась дорогу целому ряду прикладных приложений - созданию атомных лазеров, развитию атомной интерферометрии, атомной голографии и т.п.

В девяностые годы прошлого века явление Бозе-конденсации наблюдалось в парах щелочных элементов и водорода; в начале этого века к компании "конденсирующихся" атомов с одним электроном на внешней s-оболочке присоединился гелий (в метастабильном состоянии), имеющий два электрона. И вот японским ученым удалось сделать еще один шаг вперед - они смогли осуществить Бозе-конденсацию атомов ¹⁷⁴Yb (редкоземельного элемента с двумя электронами на внешней электронной оболочке (6s²)) в основном состоянии.

Поскольку все электронные оболочки заполнены, магнитный момент атома иттербия равен нулю. Получающийся при Бозе-конденсации атомов с нулевым магнитным моментом "бесспиновый" Бозе- конденсат обладает рядом особенностей по сравнению с конденсатами атомов, имеющих магнитный момент, например, он нечувствителен к магнитному полю, что делает его незаменимым для прецизионной атомной интерферометрии. Бозе-конденсаты иттербия интересны и с той точки зрения, что иттербий имеет значительное число стабильных изотопов, среди которых есть и бозоны, как ¹⁷⁴Yb, и фермионы.

Рис.1. Профиль плотности атомов в вертикальном направлении через пять миллисекунд после выключения ловушки в трех случаях (b - при температуре 0.49 мкК, c - при температуре 0.79 мкК). На вставках показаны изображения атомного облака в соответствующих случаях, полученные с помощью резонансного поглощения на длине волны 399 нм.

Однако нечувствительность к магнитному полю, будучи достоинством с точки зрения некоторых приложений, затрудняет работу по получению Бозе-конденсата ввиду невозможности использования стандартных магнито-оптических ловушек. Ученые из университета Киото использовали чисто оптическую ловушку для получения Бозе-конденсата атомов иттербия [1]. Предварительно охлажденные до 40 мкК пары иттербия состоянии "перегружались" в асимметричную дипольную оптическую ловушку, образованную двумя пересекающимися лазерными лучами. Луч твердотельного лазера с длиной волны 532 нм и мощностью 10 Вт делили на две части и с помощью акусто-оптического модулятора немного "отстраивали" частоты света в каждом пучке друг от друга (чтобы избежать интерференции). Лучи были сильно сфокусированы и пересекались в фокусе (место пересечения лучей, собственно, и является оптической ловушкой для атомов), мощности вертикального и горизонтального лучей равнялись 5 и 0.2 Вт, соответственно. С помощью откачки пары иттербия охлаждались, и при температуре 0.73 мкК начиналась конденсация атомов в состоянии с нулевым импульсом (Бозе-конденсация).

Ученые могли зафиксировать образование Бозе-конденсата, наблюдая за разлетом атомов после выключения ловушки (рис.1). В то время как при температуре, превышающей критическую (0.73 мкК при данных условиях эксперимента), имеет место для чисто тепловое распределение атомов по скоростям и происходит расширение обычного атомного облака (рис.1a), при температурах ниже критической отчетливо наблюдаются две компоненты - расширяющееся облако тепловых атомов и Бозе-конденсат атомов (рис.1b). При еще более низких температурах наблюдался практически только Бозе-конденсат (рис.1c).

1. Yosuke Takasu, Kenichi Maki, Kaduki Komori et al. Phys.Rev.Lett., v.91, 040404 (2003).

Е.Онищенко