Технология охлаждения атомов20.08.2015 14:38

Физик Владимир Мележик о волновых свойствах частиц, лазерном охлаждении и системах пониженной размерности

Зачем охлаждают атомы? При комнатных температурах атомы двигаются с огромными скоростями, 300–500 м/с. При этом для того, чтобы такие атомы регистрировать, нужно строить какие-то установки, и если размер установки один метр, то такую установку обычный атом пролетит очень быстро, за тысячную долю секунду. Но, кроме того, у атомов есть структура — это уровни энергии. Уровни — это некая размазка по энергии, и она тем больше, чем с большей скоростью двигаются атомы. Сейчас для измерения времени используют переходы между этими уровнями. Периодическое движение тем стабильнее, чем более точно мы знаем разницу между этими уровнями. Вот по крайней мере две причины, которые нужно было устранить, чтобы иметь возможность работать с атомами, которые двигаются с очень маленькими скоростями.

Холодные атомы научились получать более ста лет назад, но затем это направление развивалось без особых успехов до середины 70-х годов, когда придумали лазерное охлаждение. Поток фотонов из лазера, взаимодействуя с атомами, их замедляет. Кроме того, при взаимодействии с электрическим полем атомы поляризуются, то есть они остаются нейтральными системами, но превращаются в такие «гантельки». С одной стороны «гантельки» заряд положительный, с другой — отрицательный, физики называют такие системы диполями. И вот эти диполи, взаимодействуя с полем лазера, могут выталкиваться из этой области или, наоборот, притягиваться в эту область, и таким образом образуется ловушка. Эта идея использования лазерного охлаждения оказалась очень продуктивной, и, двигаясь по этому пути, пришлось решать много технических задач, но основная задача была решена — удалось охладить атомы до температур, которые на одну миллиардную долю градуса отличаются от нуля, при этом их скорости в начале этого процесса 300 м/с, а в конце — 1 м/с, и с такими атомами можно работать.

Есть еще один аспект: все частицы имеют волновые свойства, причем эти волновые свойства проявляются при низких температурах. Длина волны — эта волна называется по имени ученого, который предсказал этот эффект, волна де Бройля, — обратно пропорциональна импульсу частицы, то есть обратно пропорциональна скорости или температуре, то есть чем меньше температура, тем больше длина волны, тем сильнее проявляются волновые свойства атомов. Тогда атом становится квантовой частицей, и мы знаем, что квантовые эффекты проявляются на микроскопическом уровне, то есть на расстояниях размеров атомов — это размеры 10–8 сантиметра. Но если атом охладить, то эти волновые свойства начинают проявляться очень сильно, то есть мы имеем дело с квантовой частицей не макроскопических размеров, но, как физики говорят, мезоскопических объемов, и тогда атомы ведут себя как фотоны. То есть тогда мы получаем лазер из волн материи, лазер из атомов. И это явление проявляется при очень низких температурах, это явление тоже было открыто, оно называется бозе-эйнштейновская конденсация.

Но по ходу дела физикам пришлось основательно поработать в этом направлении, и были созданы специальные устройства для изучения таких атомов. В основном это были две причины: погасить движение атомов и уменьшить ширину, замедлить атомы и получить это новое вещество, волны материи. Но по ходу дела оказалось, что эта новая техника, которая была создана, открывает новые возможности для изучения квантовых систем, которых раньше не было. И эти установки не такие дорогие, как ускорители, например, — средняя установка стоит примерно полмиллиона евро, и таких установок уже довольно много настроено, порядка сотни установок во всем мире, поэтому физики получили в свои руки очень мощный и оригинальный инструмент. С помощью этого инструмента можно исследовать новые явления, новые процессы и моделировать сложные квантовые системы, которые нельзя было моделировать ранее. Это очень важно, поскольку можно смоделировать на компьютере, но компьютеры, даже самые мощные, умеют моделировать не очень большие системы.

Можно решить задачу двух тел, двух квантовых частиц, трех квантовых частиц на компьютере, но решить задачу уже четырех квантовых частиц даже на самом мощном суперкомпьютере не удается. Можно решить задачу приближенно, если частиц очень много, но в промежутке решить задачу не удается. А с помощью таких установок для работы с ультрахолодными атомами можно моделировать системы, то есть можно управлять такими системами. Что значит управлять?

Можно менять взаимодействие между системами, можно заменять отталкивание частиц притяжением, убирать взаимодействия между частицами, контролировать состояния атомов.

Атомы характеризуются, например, таким параметром, как спин, то есть магнитный момент, можно создавать системы, держащие разные магнитные моменты.

Наконец, и это специальный разговор, можно создавать системы пониженной размерности. Мы все живем в трехмерном мире, но можно смоделировать такой двухмерный мир, то есть можно создать ловушку типа диска, где движение поперек диска запрещено, а движение вдоль диска возможно, и тогда возникает такая двумерная физика. Или, наоборот, создать ловушку в виде сигары, в сигаре движение запрещено в поперечном направлении, а в продольном атомы будут двигаться свободно или квазисвободно. Такая система тоже необычное явление, которое исследуется в таких устройствах.

Эти установки также позволяют моделировать очень интересные эффекты, то есть проводить исследования, скажем, в двумерном мире, создавать ловушки, которые представляют собой диск — в поперечном направлении движение запрещено атомам, в продольном направлении атомы двигаются квазисвободно или свободно в зависимости от того, какие взаимодействия между ними. Можно создавать ловушки в виде сигары — это квазиодномерный мир, то есть атомы могут двигаться лишь по одной переменной.

Есть еще один важный момент в этой технологии. Эти технологии позволяют видеть (ну, «видеть» — это сильно сказано), позволяют фотографировать плотность распределения атомов. И это уникальные свойства этих устройств, позволяющие наблюдать практически в реальном времени, как происходит динамика в системе из небольшого числа атомов. Причем эти системы позволяют конструировать квантовые объекты, состоящие из двух, трех, четырех, пяти атомов, и рассматривать динамику.

Проблема состоит в том, что теоретики, даже применяя сверхмощные компьютеры, описать систему больше чем три тела пока не умеют, и вычислительные трудности здесь нарастают экспоненциально. А вот такая модель из трех, четырех, пяти атомов позволяет получить уникальную информацию. Эта идея была высказана знаменитым американским физиком Ричардом Фейнманом примерно 30 лет назад — использовать более простые системы для моделирования более сложных систем. Она в настоящее время реализуется. По крайней мере, физики вплотную подошли к решению этой проблемы.

Владимир Мележик