Мощные лазерные импульсы можно использовать не только для ускорения частиц, но и для их торможения. Как показывают эксперименты британских ученых, подобный способ лазерного замедления может оказаться вполне удобным для достаточно крупных нейтральных молекул.

Рис.1. Геометрия эксперимента.

В настоящее время хорошо развиты методы охлаждения газов до сверхнизких (вплоть до десятков нанокельвинов) температур, что позволяет работать со столь необычными состояниями вещества, как атомные Бозе-конденсаты (см. материал "Фермионный конденсат" и ссылки в нем). Однако методы, писпользуемые для охлаждения атомов, не всегда можно применить для охлаждения достаточно крупных нейтральных молекул. Работать же с такими молекулами при низкой температуре интересно с самых, порой, неожиданных точек зрения. Например, тяжелые молекулы удобно использовать для экспериментов по поиску электрического дипольного момента электрона, также в экспериментах по исследованию волновых свойств крупных молекул можно искать границу между движением, подчиняющимся квантовым и классическим законам.

Для замедления назличных сложных нанообъектов и крупных молекул разумно использовать достаточно общие физические закономерности. Можно охлаждать молекулы за счет взаимодействия с "буферным" газом, либо пользоваться их поляризуемостью для оптического охлаждения. Хотя читателям наших новостей гораздо привычнее слышать об использовании мощных лазерных импульсов для ускорения частиц (см. новости "Настольная" физика высоких энергий: сегодня и завтра" и "Настольный ускоритель электронов"), но они могут использоваться и для замедления частиц. Именно таким образом использовали мощные наносекундные лазерные импульсы ученые из Эдинбурга [1].

Специально сформированная быстрая струя холодных (распределение молекул по скорости, за вычетом скорости струи, соответствует температуре 2.4 K) молекул ксенона и бензола (C₆H₆) проходила через "перетяжку" сфокусированного лазерного луча - рис.1 (длина волны - 1064 нм, длительность импульса - 15 нм, плотность мощности в области перетяжки - 1.6 x 10¹² Вт/см²). В принципе лазерный луч служит оптической дипольной ловушкой для молекул, подобной тем, что используются для удержания ульрахолодных атомных паров, разница только в том, что глубина потенциальной ямы (253 K) примерно в миллион раз больше, чем в стационарных оптических ловушках. В зависимости от того, где находится молекула в момент прохождения лазерного импульса ("на подлете" к центру луча или "на вылете"), она будет либо ускоряться, либо тормозиться электрическим полем лазерного луча. Несмотря на то, что размеры перетяжки порядка нескольких микрон, изменение скорости, согласно расчетам, может составлять десятки м/c, чему соответствуют ускорения порядка 10⁸ g (g - ускорение свободного падения).

Рис.2. Распределение по скорости молекул бензола в отсутствии лазерного импульса (unperturbed) и в его присутствии (decelerated).

Для того, чтобы оценить реальное изменение скорости молекул в струе в результате лазерного замедления, исследователи через небольшой промежуток времени проводили ионизацию молекул бензола в соответствующей части струи относительно мощным (но все же на пять порядков менее мощным, чем инфракрасное) ультрафиолетовым лазерным импульсом. Затем, с помощью масс- спектрометра, проводились время-пролетные измерения, позволяющие определить распределение молекул по скорости (рис.2). Было установлено, что удается уменьшить скорость молекул в среднем на 25 м/с. Расчеты ученых показывают, что, с использованием дополнительного этапа лазерного замедления молекул (либо при использовании лазерного импульса той же мощности, но длительностью порядка 120 нс), можно практически полностью остановить часть молекул. Замедленные молекулы, прошедшие стадию лазерного торможения, уже могут быть захвачены стационарной оптической ловушкой с глубиной порядка 1 мК. Согласно оценкам, при плотности молекул бензола порядка 10¹⁵ см^-3 и общем числе молекул порядка 10⁹ за счет лазерного замедления можно "залить" в стационарную оптическую ловушку до десяти миллионов молекул, что уже вполне достаточно для дальнейшей работы с ними.

1. R.Fulton, A.I.Bishop, and P.F.Barker. Phys.Rev.Lett, v.93, 243004 (2004).

Е.Онищенко