Квантовую динамику холодных атомов научились измерять недеструктивно

W. Dubosclard et al / Communications Physics, 2021

Физики научились отслеживать населенности уровней холодных атомов рубидия, измеряя сигнал отраженного от них микроволнового излучения. Они показали, что такой способ отличается от традиционных техник, связанных с измерением спектров излучения или поглощения, тем, что он почти не разрушает когерентность состояния. Работа опубликована в Communications Physics.

Активное изучение того, как атомы и молекулы взаимодействуют с электромагнитным излучением, привело физиков к возможности когерентного контроля и управления их состояниями. Ученые могут с высокой точностью предсказать квантовую динамику внутри холодных атомов и связывать ее с условиями, в которые атомы помещены. Этот принцип реализуется в сверхточных акселерометрах, гравитометрах, атомных часах и других устройствах.

Главная характеристика атомных ансамблей, которой обычно интересуются физики, — это населенность их уровней, которая напрямую связана с вероятностями найти атомы в том или ином состоянии. Обычно населенность измеряется либо путем детектирования излучения при релаксации атомов, либо, наоборот, с помощью поглощения резонансного излучения. Это мощные методы, основанные на принципах классической спектроскопии, чье разрешение позволяет исследовать одиночные атомы, однако их минусом стало то, что акт измерения разрушает когерентность и прерывает квантовую динамику. В качестве альтернативы был развит целый спектр оптических неразрушающих методов определения населенности, но всех их объединяет аппаратная сложность, не позволяющая добиться компактности.

Чтобы справиться с этой трудностью группа французских физиков из Парижской обсерватории и Университета Сорбонны при участии Карлоса Гарридо-Альзара (Carlos Garrido-Alzar) предложила проводить недеструктивный когерентный контроль не в оптическом, а в микроволновом диапазоне. До сих пор микроволны использовались преимущественно для манипуляции состояниями холодных атомов. Иными словами, физики знали и использовали то, как микроволновое излучение меняет атомы. Авторы новой работы в свою очередь заинтересовались обратным процессом: как состояние атомов влияет на поле. Оказалось, что это можно использовать для извлечения информации о квантовой динамике в холодных атомах.

Взаимодействие атомов с излучением принято описывать в рамках квантовой оптики. В частности, если облучать систему, обладающую парой уровней, резонансным или околорезонансным излучением, вероятность найти ее на одном из них начнет осциллировать с частотой, которую называют частотой Раби. Частота Раби зависит от свойств двухуровневой системы, интенсивности излучения и его отстройки от резонансной частоты. Управляя этими параметрами, можно контролировать динамику населенности атомных уровней. Физики выяснили, что населенность влияет на волновое сопротивление среды, в которую помещены атомы, и может быть считана с помощью зондирующего излучения.

Для реализации этой схемы авторы приготовили порядка ста тысяч атомов рубидия с температурой около трех микрокельвин. В качестве пары уровней использовались подуровни сверхтонкого расщепления F=1, mF=0 и F’=2, m′F=0. Их называют часовыми состояниями, поскольку это довольно часто используемая пара уровней при создании атомных часов. Затем атомы рубидия в режиме свободного падения облучались микроволнами из рупорной антенны. Отраженные волны собирались той же антенной, а их сигнал через двунаправленный ответвитель переводился на анализатор.

В этом опыте, фактически, одна и та же антенна использовалась и для управления квантовой динамикой, и для ее измерения. Чтобы верифицировать эти измерения, физики сразу же после облучения микроволнами применяли метод спектроскопии поглощения. Сравнивая полученные двумя методами результаты, авторы отметили, что характер динамики в обоих случаях одинаковый и соответствует теоретическим моделям. Вместе с тем они отмечают, что использование одной и той же антенны для манипуляции и для детектирования вносит искажения.

Чтобы избежать этих искажений, авторы провели вторую серию экспериментов. В ней они исследовали зависимость населенности верхнего уровня от времени управляющего микроволнового импульса. При этом использовалось две разных последовательности действий (протокола). Первый протокол представлял собой серию предыдущих опытов, которые отличались друг от друга длительностью управляющих импульсов. Его важной особенностью стало то, что для каждой новой точки при построении зависимости от времени импульса необходимо было заново готовить атомную систему, поскольку спектроскопическое измерение прерывало динамику.

Второй же протокол, названный стробоскопическим, производился на одном и том же ансамбле атомов, потому что для измерения населенности в ней использовалось только микроволновое детектирование, что позволило многократно повторять это измерение. Кроме того, в этом случае управляющий импульс излучался уже с помощью дополнительной дипольной антенны.


В результате авторы пронаблюдали осцилляции Раби для обоих протоколов эксперимента. Малое затухание этих осцилляций в случае второго протокола свидетельствует о небольших потерях когерентности состояний атомов, которое физики оценили в 0,04 процента. По их мнению, такая стабильность может найти применение в интерферометрии, а также при работе с атомными часами и сенсорами на холодных атомах.

Развитие техники работы с холодными атомами позволяет достигать прогресса во многих направлениях, в том числе и в создании атомных часов. Мы уже рассказывали раньше, как физики увеличивали точность атомных часов и даже запустили их в космос.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.