Лазерная абляция помогла создать компактный источник атомов

Сингапурские физики продемонстрировали работоспособность нового компактного источника атомов для создания холодных газов, основанного на лазерной абляции металлических гранул, без привлечения дополнительных замедлителей. Им удалось захватить 3,5 миллиона атомов стронция с временем жизни в ловушке, равным четырем секундам. Исследование опубликовано в Scientific Reports.

Холодные атомные газы играют важнейшую роль в современной физике. С их помощью изучают необычные формы материи, новые квантовые явления и создают сверхточные атомные часы. Для этого атомные облака нужно охлаждать и локализовывать в пространстве, в чем физикам помогают разнообразные оптические и магнитные ловушки.

Однако сначала свободные атомы нужно как-то создать. Обычно для этого используются отдельные печи-атомизаторы, на выходе из которых горячие атомы обладают большой скоростью. Ученые останавливают их различными методами, например, зеемановскими замедлителями, а также дополнительно коллимируют, прежде чем загрузить ими ловушки. Все это позволяет достичь большой эффективности загрузки и времени жизни атомов. Тем не менее такие лабораторные системы оказываются достаточно громоздкими и требующими регулярного ухода, в то время как для некоторых практических приложений, например, атомных часов, желательна мобильность и отказоустойчивость.

Альтернативным подходом к атомизации стала лазерная абляция твердых объектов. Недавно физикам удалось произвести облака холодных стронция и иттербия за счет фотохимической диссоциации их оксидов с поверхности твердых гранул. Этот метод потребовал лишь милливаттных лазерных мощностей, однако образование побочного газообразного кислорода негативно сказалось на времени жизни атомов в ловушках.

Чтобы обойти эту проблему сингапурские физики под руководством Дэвида Вилковски (David Wilkowski) из Наньянского технологического университета предложили производить лазерную абляцию с металлическими гранулами в той же камере, в которой формируется магнито-оптическая ловушка. Им удалось захватить таким образом 3,5 миллиона атомов и удерживать их в течение четырех секунд.

Установка физиков представляла собой вакуумную камеру из боросиликатного стекла размерами 30×30×100 сантиметров. Стронциевые гранулы сантиметрового размера располагались с одного конца камеры. Физики фокусировали на них излучение от лазера с длиной волны 1064 нанометра и с максимальной мощностью 38 ватт в пятно диаметром четыре микрометра.

Через шесть сантиметров от гранул авторы формировали ловушку с помощью шести лазерных лучей и 32 постоянных магнитов из сплава неодима, железа и бора, расположенных в восьми вершинах куба. Такая схема открывала широкий оптический доступ к атомам. Цифровая камера улавливала сигнал флуоресценции атомов с частотой 50 кадров в секунду, что позволило ученым следить за эволюцией количества атомов в ловушке и вне ее.

Физики проверили идею для двух режимов работы лазера. В первом из них они выставили длительность лазерного импульса на минимум, равный 25 миллисекундам, вместе с максимальной мощностью. При таких условиях происходила загрузка 1,9×10⁴ атомов в ловушку за 40 миллисекунд, где они хранились 4,7 секунды.

Во второй серии экспериментов физики увеличили длительность воздействия до нескольких секунд с уменьшенной вдвое мощностью. Они обнаружили, что максимальное количество атомов в ловушке — 3,5×10⁶ — достигается при трехсекундном облучении, причем не сразу, а через секунду после выключения лазера. Этот эффект ученые объяснили тем, что сама частица здесь выступает в качестве теплового резервуара, который поддерживает испарение даже в отсутствии излучения. Пленение же, как и в предыдущем опыте, длилось чуть больше четырех секунд.

Авторы отмечают, что достигнутых показателей достаточно для экспериментов по квантовым вычислениям на ридберговских атомах, а также для создания оптических часов. При этом созданная установка обладает одновременной простотой и универсальностью. В частности, поскольку длина волны при абляции не имеет значения, для этого можно использовать тот же лазер, что формирует ловушку. Кроме того, метод годится для любых металлических гранул. Это позволит в будущем создать компактную мобильную установку для экспериментов вне лаборатории.

В описанном эксперименте физики испаряют атомы лазером, чтобы потом охладить и остановить. Однако иногда нужно, наоборот, разгонять их. Недавно мы писали про то, как это делают с ионами, которые испарились из тонкой углеродной фольги.

Марат Хамадеев