Создание атомных лазеров - источников когерентных материальных волн - стало возможным благодаря получению атомных Бозе-конденсатов. Ученые из Тюбингенского университета впервые продемонстрировали атомный лазер, созданный с использованием чисто оптической ловушки для атомов.

Рис.1. Изображения атомного облака после выключения ловушки для случаев, когда в процессе охлаждения присутствует (a) и отсутствует (b) градиент магнитного поля (размер изображения - 0.3 x 0.3 мм). Видно, что во втором случае на снимке присутствуют три облака, центральное из которых состоит из атомов с нулевым магнитным моментом.

Появление источников когерентного излучения (лазеров) было одним из важнейших научных достижений двадцатого века; сейчас трудно найти область человеческой деятельности, в которой не использовались бы лазеры. После того, как была достигнута Бозе-конденсация атомов в магнито- оптических ловушках, появилась возможность создания источников когерентных материальных волн (моноэнергетичных коллимированных пучков атомов). Нельзя не отметить, что и это достижение (охлаждение атомов до сверхнизких температур и получение атомных Бозе-конденсатов) было бы невозможным без лазеров. Конечно, сложно ожидать, что атомные лазеры окажут столь же большое влияние на жизнь человечества, какое оказали обычные лазеры, но для развития атомной оптики появление когерентных источников не менее важно, что появление когерентных источников излучения для развития обычной оптики.Это сулит большой прогресс в развитии атомной интерферометрии, атомной голографии и т.п.

Во многих случаях желательно работать с Бозе-конденсатом атомов, не имеющих магнитного момента: в отличие от конденсатов атомов, имеющих магнитный момент, он не чувствителен к магнитному полю, что делает его незаменимым, например, для прецизионной атомной интерферометрии. Однако нечувствительность к магнитному полю, будучи достоинством с точки зрения некоторых приложений, затрудняет задачу по получению Бозе-конденсата ввиду невозможности использования стандартных магнито-оптических ловушек. Выходом из такого положения является использование чисто оптических ловушек, в которые "перегружаются" охлажденные до низких температур в обычных ловушках атомы. Ученые из университета Тюбингена использовали чисто оптическую ловушку для получения Бозе-конденсата атомов рубидия, и реализации атомного лазера на его основе [1].

Для создания оптической ловушки использовался сильно сфокусированный луч CO₂ лазера (длина волны 10.6 мкм). Лазерный луч был сфокусирован в центре магнитооптической ловушки, в которой было проведено первоначальное охлаждение атомов ⁸⁷Rb (к окончанию цикла начального охлаждения в ловушке осталось примерно 4 миллиона атомов рубидия при температуре около 140 мкК). С целью дальнейшего охлаждения газа исследователи постепенно уменьшали глубину потенциальной ямы, уменьшая мощность лазера, - более высокоэнергетичные атомы при этом покидали ловушку, что и приводило к понижению температуры газа. В отсутствии магнитного поля в конце цикла охлаждения в ловушке оставалось порядка 12000 атомов, находящихся в состояниях с различными магнитными квантовыми числами (рис. 1b). Если же в ходе охлаждения в области ловушки имелся градиент магнитного поля, то в конечном итоге в оптической ловушке оставалось порядка 7000 атомов рубидия в состоянии |F = 1, m_F = 0>, не чувствительных к магнитному полю (рис. 1a). В данных экспериментальных условиях критическая температура - температура, при которой начинается конденсация атомов в состоянии с нулевым импульсом (Бозе-конденсация) - составляла 220 нК.

Рис.2. Луч атомного лазера (размер изображения - 0.28 x 0.5 мм).

Для генерации пучка когерентных атомных волн после образования Бозе-конденсата исследователи уменьшали мощность лазера до того предела, когда под действием силы тяжести атомы начинали падать вниз. Им удавалось получать атомный пучок длиной до 1 мм; поток атомов составлял примерно 8.4 x 10⁵ атомов в секунду, что пока в несколько раз меньше, чем в экспериментах, в которых атомный лазер был реализован с использованием обычной магнито-оптической ловушки. Однако ученые надеются, что можно существенно повысить число атомов в ловушке, используя более лазеры большей мощности.

1. Giovanni Geninni, Gunnar Ritt, Garsten Geckeler, and Martin Weitz. Phys.Rev.Lett., v.91, 240408 (2003).

Е.Онищенко