Новые результаты в физике недостижимы без тончайших экспериментов на грани инструментальных возможностей. К таким работам принадлежат и проводимые в лазерной оптике эксперименты по оценке поляризуемостей уровней атомов. Об одном из таких исследований, проводимых в лаборатории оптики активных сред ФИАН, рассказал научный сотрудник ФИАН С.А. Снигирев.
Задачами серии экспериментов, проводимых научной группой лаборатории оптики ФИАН, являлась оценка штарковских сдвигов в атомах рубидия и оценка поляризуемостей 5D уровней. Эффект Штарка заключается в наблюдении сдвига энергетических уровней атомов под воздействием внешнего электрического поля или внешнего нерезонансного воздействия (например, под действием света).
Рассказывает Степан Александрович Снигирев:
«Исследуемый 5D-уровень атомов рубидия широко используется в спектроскопии, поскольку двухфотонный переход 5S ↔ 5D является рекомендованным Международным Комитетом Мер и Весов для определения вторичного стандарта метра и активно используется в метрологии. Кроме того, 5D уровень часто используется в качестве промежуточного для возбуждения атомов на ридберговские уровни.
Представьте себе, что под влиянием внешнего поля произошел сдвиг уровней, и – эталон метра сразу же потерял точность. Достаточно только этого примера, чтобы понять важность нашей работы».
В своих экспериментах исследователи ФИАНа проводили измерения поляризуемостей 5D уровней в холодных атомах рубидия.
Облако холодных атомов обладает несколькими замечательными свойствами: низкая температура атомов в облаке, их плотная локализация в пространстве и отсутствие столкновений, большое время жизни атомов и возможность проведения абсолютных измерений, благодаря известному распределению атомов в пространстве. Каждое из этих свойств само по себе дает существенное преимущество в эксперименте, а их одновременное присутствие сделало облака холодных атомов незаменимыми инструментами в спектроскопических исследованиях.
Одним из важных преимуществ холодных атомов является практически полное подавление доплеровского уширения. При комнатных температурах доплеровское уширение составляет несколько гигагерц. Характерная температура атомов в облаке составляет несколько сотен микрокельвин, что соответствует доплеровскому уширению в несколько мегагерц. Это дает возможность исследовать спектральные линии почти естественной ширины и, в частности, различать переходы на сверхтонкие компоненты уровней.
Используя облако холодных атомов, помещенное между обкладками плоского конденсатора, удалось зарегистрировать сдвиги спектральных линий во внешнем электрическом поле, откуда получить значения поляризуемостей.
К облаку холодных атомов (на пересечении всех пучков) при помощи металлических пластин прикладывались различные электрические поля. В зависимости от величины поля смещался резонанс перехода 5P-5D в рубидии, что детектировалось при помощи пробного пучка. Оптическая накачка была необходима для изначального заселения нужных магнитных подуровней 5P уровня рубидия
Комментирует Степан Александрович:
«Значения поляризуемостей атомных уровней достаточно часто бывают необходимы экспериментаторам. Например, при работе с атомами в ионных ловушках. Понятно, что померить все поляризуемости невозможно, поэтому чаще всего их рассчитывают, исходя из теоретических моделей. И здесь, как Вы понимаете, очень важно, чтобы эта теоретическая модель была точной. Своими экспериментами мы очень сильно помогли нашим коллегам-теоретикам, которые на основании наших результатов могут подкорректировать свою модель.
Другой, не менее важной для нас, целью в этих исследованиях стала подготовка к дальнейшим экспериментам по переводу атомов рубидия в ридберговские состояния».
Переход в ридберговские состояния возможен двумя различными путями (см. рисунок 2), однако в любом случае в качестве промежуточной ступеньки задействуются 5D-уровни. И знание их значений, определение величины штарковских сдвигов здесь весьма важно.
Возбуждение ридберговских уровней в рубидии. Лазерно-охлажденные на переходе 5S-5P атомы перекачиваются на уровень 5D, после чего заселяются на выбранные ридберговские уровни при помощи лазерного излучения с длиной волны порядка 1.2 мкм. Даже незначительно варьируя длину волны излучения, можно заселять любой уровень от 23P до 60P
«Ридберговские состояния очень узкие, – поясняет Степан Александрович. – Чтобы на них попасть, надо очень хорошо знать их частоту. Я бы сказал, что нам необходима снайперская точность в "прицеливании". А для этого необходимо учитывать, какие сдвиги у нас имеются. Потому что иначе мы промахнемся и, скорее всего, вообще никуда не попадем или же, в лучшем случае, попадем не на тот уровень, который нам нужен. Поэтому-то и необходимо определить, какие у нас имеются сдвиги во внешних электрических полях или нерезонансном свете. Потому как наше воздействие лазером, осуществляемое в ходе экспериментов, однозначно будет вызывать штарковский сдвиг, в дополнение к уже существующему».
Дополнительным «подарком» стала разработанная методика оценки поляризуемости, более простая и удобная по сравнению с имеющимися при полном сохранении высокой точности результатов. В прикладных работах по метрологии исследователи постоянно сталкиваются с необходимостью оценки поляризуемости атомов, а просто реализуемая методика оценки позволяет решать эту задачу с минимальными усилиями.
Проводимые исследователями из ФИАНа работы весьма полезны как для дальнейших фундаментальных исследований, так и для прикладных применений в метрологии, астрофизике и других областях.
Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»
