Блокировку Паули увидели для вынужденного излучения

Нидерландские физики сообщили о наблюдении эффекта блокировки Паули применительно к вынужденному излучению атомов. Для этого они переводили ансамбль плененных атомов гелия-3 в режим вырожденного фермионного газа и фиксировали сужение допплеровского спектрального контура. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Принцип запрета Паули был сформулирован после анализа симметрии двухчастичного квантового состояния относительно замены в них частиц местами. На практике он выражает невозможность двум фермионам занимать одно и то же состояние. Эта простая и одновременно универсальная идея стала надежным способом качественно исследовать множество физических явлений без необходимости сложных количественных оценок. Взаимоисключение фермионов играет ключевую роль во множестве областей, начиная от химии и заканчивая астрофизикой.

Благодаря этому явлению вырожденный газ фермионов приобретает необычные свойства. Такое состояние вещества возникает, когда температура газа, состоящего из фермионов (электронов или атомов), опускается достаточно низко. При охлаждении фермионы стремятся занять состояния с наименьшей энергией, выражаемой через их импульсы. Но число таких состояний ограничено, поэтому частицы плотно упаковываются в импульсном пространстве состояний в сферу, называемую сферой Ферми. Этим газ фермионов отличается от газа бозонов, которые при охлаждении, наоборот, стремятся занять одно состояние с образованием бозе-конденсата.

Почти 30 лет назад теоретики поняли, что такой газ станет частично прозрачным для излучения. Действительно, при поглощении или рассеянии света должны выполняться закон сохранения не только энергии, но и импульса. Другими словами, взаимодействие со светом должно сопровождаться отдачей, то есть изменением импульса. Однако, если все окрестные импульсные состояния заняты, то принцип Паули запрещает взаимодействие со светом для всех частиц за исключением тех, что расположены вблизи границы сферы Ферми.

Описанный механизм получил название блокировки Паули. Подтвердить его экспериментально удалось сразу трем группам ученых, о чем мы рассказывали в прошлом году. Во всех трех случаях авторы наблюдали подавление рассеяния света. Теперь же Рафаэль Джаннин (Raphael Jannin) и его коллеги из Амстердамского свободного университета смогли увидеть подавление вынужденного излучения в вырожденном газе фермионных атомов гелия-3.

При облучении атомов светом на резонансной частоте может происходить как поглощение, так и вынужденное излучение, в зависимости от их начального состояния и длительности импульса. В общем случае атомная динамика определяется осцилляциями Раби между основным и возбужденным состоянием. Одному циклу этих осцилляций соответствует один акт поглощения и один акт излучения, в результате чего атом возвращается в исходное состояние.

Длительность этого цикла, определяемая частотой Раби, зависит от интенсивности света и точности настройки на резонанс. Иначе говоря, излучение, настроенное так, чтобы вызвать один цикл при резонансных условиях, может оставить цикл незавершенным, если условие резонанса будет нарушено. Последнее может произойти в том случае, если электронный переход сопровождается существенным изменением импульса атома, то есть, эффектом Допплера. По этой причине уширение спектральных линий из-за движения атомов называют допплеровским.

Джаннин с коллегами обратили внимание на то, что, когда одному раби-циклу подвержены атомы вырожденного ферми-газа, допплеровское уширение должно уменьшиться. Действительно, в этом случае после поглощения атомом фотона в наборе разрешенных состояний вырожденного газа остается меньше вакансий (всего одна, для глубоколежащих вырожденных атомов), чем в обычном случае, а значит вклад в форму линии при вынужденном излучении от боковых допплеровских полос уменьшается.

Чтобы проверить этот эффект, физики пленяли несколько десятков тысяч атомов гелия-3 в скрещенной оптической ловушке, оставляя их в метастабильном состоянии 2³S₁ (основное состояние ортогелия). В качестве возбужденного состояния они выбирали синглетный терм 2¹S₀, переход к которому соответствует длине волны 1557 нанометров и очень малой вероятности, что обуславливает довольно узкую естественную ширину линии — всего восемь герц. В естественных условиях синглетное состояние живет всего 20 миллисекунд, однако в процессе когерентных осцилляций атом возвращается в исходное состояние.

Ширину соответствующей спектральной линии можно измерить, считая число вернувшихся атомов в зависимости от отстройки лазера от резонанса. Авторы делали это, выключая поле ловушки через три секунды после возбуждения и регистрируя энергию свободно падающих атомов. В этом случае единственными атомами с энергетическим избытком оказываются те их них, что находятся в исходных метастабильных состояниях.

Проведя такое исследование для изотопов гелия в вырожденном режиме, физики увидели, что допплеровская линия ощутимо сужается по сравнению с невырожденным случаем. Зависимость этого сужения от температуры оказалась в хорошем согласии с теоретическими расчетами. Ученые также убедились, что эффект можно подавить, если прерывать цикл Раби с помощью дополнительного излучения, которое переводит атомы гелия из 2¹S₀ в короткоживущее 4¹P₁. По их мнению, паулевская блокировка вынужденного излучения может быть полезна в прецизионной спектроскопии, охлаждении квантовых газов, а также для квантовых симуляций.

Ранее мы рассказывали, как в жидком гелии сужаются спектральные линии антипротонного гелия, состоящего из электрона, антипротона и ядра гелия.