Физики охладили атомы индия до милликельвиновой температуры

Сингапурские физики сообщили о первом успешном пленении нейтральных атомов индия в магнитооптической ловушке. Для этого они использовали их лазерное охлаждение с метастабильного состояния. В результате ученым удалось пленить 500 миллионов атомов при температуре в несколько милликельвин. Работа физиков открывает дорогу к достижению квантовых режимов у газов из элементов 13 группы. Исследование опубликовано в Physical Review A.

Передний край экспериментальной атомной физики в наше время проходит в области ультрахолодных газов. Охлаждение до микрокельвиновых температур вместе с пленением в ловушках позволяет ученым подавить тепловые шумы, мешающие им наблюдать множество интересных явлений, как в области создания новых фаз вещества (бозе-конденсатов и вырожденных ферми-газов), так и в ультрахолодной химии. 

Несмотря на бурный прогресс в этом направлении, физики умеют пленять и охлаждать далеко не всю таблицу Менделеева. Наиболее остро этот дефицит виден применительно к нейтральным атомам. На сегодня ученые могут похвастаться успешной работой только с ультрахолодными щелочными и щелочноземельными элементами (а также некоторыми лантаноидами), хотя их соседей по таблице – элементы 13 группы (бор, алюминий, галлий, и так далее) еще никто не охлаждал и не пленял. Вместе с тем, теоретики ждут, что эти элементы также будут демонстрировать резонанс Фешбаха – важнейший эффект применяемый в ультрахолодной атомной физике и химии. Кроме того, валентные электроны элементов 13 группы в основном состоянии занимают p-орбиталь, в отличие от s-орбиталей в щелочных и щелочноземельных атомах. Таким образом, низкотемпературное рассеяние между p-состояниями еще никогда не исследовалось экспериментально.

Новый шаг в этом направлении сделала команда физиков из Национального университета Сингапура при участии Трэвиса Николсона (Travis Nicholson). Им впервые удалось подвергнуть лазерному охлаждению и пленению в магнитооптической ловушке один из элементов 13 группы, а именно, индий. Ученые сообщили об удержании 500 миллионов атомов при охлаждении температуры порядка милликельвина.

Поскольку нейтральные атомы не обладают электрическим зарядом, существует не так уж много способов их пленения, в отличие от ионов. Общий принцип здесь один: внешние поля (электрические, оптические или магнитные) приводят к небольшим смещениям энергетических уровней атомов (за счет статического и динамического эффектов Штарка и эффекта Зеемана, соответственно). Градиент того или иного поля создает для атома разные энергетические условия, что можно описать с помощью эффективного потенциала. Правильно конструируя поля в пространстве, физики добиваются потенциальных ям нужных форм. Именно так, к примеру, работает магнитооптическая ловушка.

Однако из-за небольшой высоты стенок ловушки пленение невозможно без замедления и охлаждения атомов. Наиболее распространенным и простым способом понижать температуру атомов по сей день остается лазерное охлаждение. В его основе лежит поглощение атомами света, слегка отстроенного в красную область от резонансного перехода. В этом случае атом заимствует недостающую энергию из кинетической и замедляется. Важным условием при этом оказывается возможность эффективно возвращать атомы в основное состояние в течение цикла. Именно это условие не выполняется для атомов 13 группы и служит преградой для их пленения.

Авторы обошли эту проблему, охлаждая атомы индия не с основного 5P_1/2 состояния, а с возбужденного метастабильного 5P_3/2 состояния со временем жизни около десяти секунд. Это потребовало вводить в систему дополнительные лучи на длинах волн 410,3 и 451,3 нанометров, которые перебрасывали населенность сначала на уровень 6S_1/2, а затем на 5P_3/2. Для охлаждения физики использовали переход 5P_3/2 → 5D_5/2 на длине волны 326 нанометров. Атомы индия в состоянии 5D_5/2 через уровень 6P_3/2 релаксировали в состояние 6S_1/2, откуда цикл завершался с помощью дополнительных лучей.

Атомы индия подавались в ловушку через зеемановский замедлитель, останавливавший их до 70 метров в секунду. И хотя установка, созданная авторами, по принципу работы не отличалась от аналогов, применяемых в экспериментах со щелочными и щелочноземельными элементами, специфика 13 группы потребовала создание всех ее компонент с нуля. Физики определяли количество атомов по их флуоресценции, а также измеряли их температуру с помощью времяпролетного фотографирования.

Исследователи экспериментировали с магнитными полями и мощностями лазеров, чтобы оптимизировать количество плененных атомов, а также время их жизни через контроль одночастичных и двухчастичных потерь. Им удалось добиться загрузки 500 миллионов атомов в ловушку со временем удержания порядка нескольких секунд. При оптимальных параметрах атомы продемонстрировали милликельвиновую температуру. Этих температур недостаточно для достижения квантовых режимов газа, однако авторы предложили ряд усовершенствований, которые, как они надеются, позволят им достичь этого в будущем.

Переход к субкельвиновым температурам требует индивидуального подхода в зависимости от того, что именно нужно охладить. Мы уже рассказывали, какие методы применяют для охлаждения молекул и даже наноэлектронных чипов.

Марат Хамадеев