В лаборатории оптики активных сред Физического института им. П.Н. Лебедева РАН завершена серия экспериментов по исследованию взаимодействия фемтосекундного излучения с ансамблем холодных атомов рубидия с применением магнитооптической ловушки. Получена возможность использовать такую ловушку как чувствительный инструмент для изучения процессов с маленьким сечением (низкой вероятностью), возможность отслеживать и измерять слабые квантовые эффекты. О работе рассказывает старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук Алексей Акимов.

Магнитооптическая ловушка — это закрытый вакуумный объем, в котором есть источник рубидия, и лазерное излучение, которое его охлаждает. В этом объеме находятся открытые металлические емкости, «лодочки», содержащие соль рубидия с восстановителем. При нагреве лодочек до нескольких сотен градусов по Цельсию (электрическим током) рубидий высвобождается. Летящие атомы охлаждаются — замедляются световым полем шести лазерных пучков. Абсолютно охладить рубидий в ловушке нельзя, есть некоторый предел, который определяется балансом сил, действующих на атом со стороны светового поля. Типичная температура в магнитооптической ловушке для рубидия — 300 мкК. Это означает, что скорость атома, которая при комнатной температуре составляет около 300 м в секунду, уменьшается до десятков см в секунду. В результате примерно десять миллионов атомов, имеющих такую скорость, удерживаются в ловушке в объеме порядка сотен микрон. Это довольно большая оптическая плотность. Свечение такого густого атомного облака хорошо видно невооруженным глазом — это светящаяся точка.
В эксперименте исследовалось взаимодействие уже холодных атомов с фемтосекундным излучением. Это дополнительное (помимо охлаждающего) излучение. Использовались два пробных лазера. Фемтосекундный и еще один непрерывный лазер, светящий сбоку.
Фемтосекундный импульсно-периодический лазер характеризуется широким линейчатым спектром излучения. Этот спектр состоит из большого количества мод, каждую из которых можно рассматривать как отдельный лазер. А значит, посветив на ловушку системой многих лазеров, можно получить отклик сразу на все длины волн. Это может быть использовано в спектроскопии молекул. Известно, что некоторые химические реакции (фоточувствительные) можно контролировать с помощью света. «Засветив» определенную фазу реакции, можно повлиять на ее продукт. Зачастую для такого процесса требуется довольно много лазеров. А специально модифицированное излучение фемтосекундного лазера позволяет сделать это с помощью одного источника.
При настройке фемтосекундного лазера близко к одному из переходов атома рубидия наблюдалось взаимодействие одной лазерной моды с атомом. Взаимодействие это оказывается очень слабым, потому что мощность одной моды (монохроматической частоты) составляет всего 10-5 от мощности всего излучения. Но, тем не менее, это слабое взаимодействие можно увидеть, так как его сопровождает процесс ионизации всей мощностью фемтосекундного излучения. Оказалось, что процесс можно разворачивать в любую сторону: можно измерить ионизацию таким способом, а можно — слабое возбуждение через ионизацию. Фемтосекундное излучение одновременно взаимодействует с ансамблем как непрерывный лазер и как мощный ионизирующий лазер. Магнитооптическая ловушка оказалась инструментом, чувствительным к очень тонким и слабым эффектам за счет длительного (секунды) времени жизни холодных атомов в ней.

АНИ «ФИАН-информ»