Появление источников когерентного излучения было одним из важнейших научных достижений двадцатого века, значение которого сложно переоценить - трудно найти область человеческой деятельности, в которой не использовались бы лазеры. После того, как была достигнута Бозе-конденсация атомов в магнитных ловушках, появилась возможность создания источников когерентных материальных волн (моноэнергетичных коллимированных пучков атомов). Однако, для того, чтобы атомные лазеры нашли применение, необходимо создать высококачественные "атомные оптические элементы". В статье группы немецких ученых в Physical Review Letters сообщается о создании универсального атомного оптического элемента.

Рис.1. Коллимированный атомный пучок, получаемый из Бозе-конденсата (яркие пятна вверху). Рисунок взят из работы [2].

Появление источников когерентных материальных волн может сыграть большую роль для развития атомной интерферометрии, атомной голографии и пр. Однако для работы с атомными пучками необходимы соответствующие "оптические элементы". Например, для реализации атомной лазерной микроскопии нужно научиться фокусировать атомные пучки. В работе немецких исследователей [1] сообщается о том, что оказывается возможным создать "атомный оптический элемент", вызывая с помощью лазеров переходы между уровнями сверхтонкого расщепления основного состояния 5S_1/2 атомов рубидия, находящихся в магнитном поле.

Наиболее просто реализовать источник когерентных материальных волн можно путем внезапного высвобождения конденсата из магнитной ловушки, однако разброс высвобожденных атомов по скорости в таком случае относительно велик. Существенно лучшие результаты можно получить, непрерывно выводя пучок атомов из конденсата (рис.1). Именно с таким моноэнергетическим пучком, выводимым из Бозе-конденсата атомов ⁸⁷Rb, работали немецкие ученые. Под действием слабого радиочастотного поля захваченные в магнитную ловушку атомы, находящиеся в состоянии |F = 1, m_F = -1>, переносились в "незахваченное" состояние |F = 1, m_F = 0> (F - полный момент импульса, m_F - магнитное квантовое число). Освобожденные атомы под действием силы тяжести двигались вниз, образуя хорошо коллимированный атомный пучок.

Рис.2. На 2 мс было включено "лазерное зеркало", что вызвало переброс значительной части атомов в состояние состоянии |F = 2, mF = 1>. Атомы с переориентированными спинами стали двигаться вверх (направления движения основной и отраженной части пучка показаны стрелками).

"Атомный оптический элемент" был реализован следующим образом. При движении вниз атомы попадали в область, где под действием двух сфокусированных лазерных лучей происходили двухфотонные переходы между уровнями сверхтонкого расщепления и часть атомов оказывалась в состоянии |F = 2, m_F = 1>. В вертикальном направлении существовал градиент магнитного поля и под его действием эти атомы начинали двигаться вверх, в область с более слабым полем (рис.2). В зависимости от мощности лазеров доля отраженных атомов менялась; в экспериментах было достигнуто зеркальное отражение до 98 % атомов. С помощью лазерной переориентации спинов оказалось возможным реализовать универсальный оптический элемент, позволяющий производить отражение, расщепление и фокусировку атомного лазерного пучка (в экспериментах пучок с начальным диаметром 70 мкм был сфокусирован в пучок с диаметром 7 мкм).

1. Immanuel Bloch, Michael Kohl, Markus Greiner et al. Phys.Rev.Lett. v.87, 030401 (2001).

2. Immanuel Bloch, Theodor W.Hansch, and Tilman Esslinger. Phys.Rev.Lett. v.82, 3008 (1999).

Е.Онищенко.