15.8. Охлаждение и пленение атомов

В случае большого числа поглощений и спонтанных испусканий фотонов резонансное взаимодействие атома и света может привести к замедлению и охлаждению атома и, в конечном счете, к его пленению светом. Согласно оценкам Ханша и Шавлова (Hansch and Schawlow, 1975) нейтральные атомы можно охладить до температур порядка милликельвинов в процессе возбуждения их почти резонансным лазерным пучком и последующего спонтанного излучения. Аналогичное предположение, касающееся плененных атомов, было сделано независимо в работе (Wineland and Dehmelt, 1975). Хотя дипольные силы, действующие на атом и обусловленные вынужденными, а не спонтанными испусканиями, также можно использовать для охлаждения и пленения атомов (Ashkin, 1978; Ashkin and Gordon, 1979; Gordon and Ashkin, 1980; Dalibard and Cohen-Tannoudji, 1985; Kazantsev, Ryabenko, Surdutovich and Yakovlev, 1985; Aspect, Dalibard, Heidmann, Salomon and Cohen-Tannoudji, 1986; Chu, Bjorkholm, Ashkin and Cable, 1986; Prentiss and Cable, 1989), мы сосредоточим наше внимание здесь только на первом механизме.

Рис. 15.16. Ситуация, при которой атом вследствие эффекта Доплера «видит» фотон частоты

Для того, чтобы понять основную идею, рассмотрим ситуацию, показанную на рис. 15.16, когда двухуровневый атом, имеющий среднюю частоту массу и скорость движется навстречу квазимонохроматическому лазерному пучку, имеющему волновой вектор и частоту Предположим, что спектральная ширина лазера намного меньше как естественно, так и доплеровски уширенной атомной линии, и что меньше на некоторую величину Если векторы противоположно направлены, то в системе координат движущегося атома свет имеет доплеровски смещенную частоту Пусть порядка Тогда приближающиеся фотоны находятся в точном резонансе с атомным переходом, и поглощение одного такого фотона приводит к передаче атому импульса в лабораторной системе координат, так что импульс атома уменьшается до значения Изменение скорости определяется в этом случае соотношением

и направлено противоположно скорости так что атом замедляется. Если возбужденный атом спонтанно испускает фотон с волновым вектором к, то его импульс опять меняется на величину — Но поскольку средний импульс, сообщаемый атому за одно поглощение и одно испускание фотона, определяется выражением (15.8.1) и приводит к замедлению атома. Излишне говорить, что если векторы направлены одинаково, то доплеровски смещенная частота получается равной и оказывается существенно меньше средней атомной частоты что делает поглощение фотона маловероятным.

Таким образом, атомы, движущиеся навстречу свету, замедляются в процессе повторяющихся актов поглощения и спонтанного переизлучения, тогда как атомы, движущиеся от света, не замедляются. Облучение атомов со всех сторон, при котором некоторый вектор всегда имеет составляющую, противоположную скорости атома, обеспечивает фактически замедление всех атомов. Выражение (15.8.1) дает оценку для атомов магния, облучаемых светом с частотой, ниже резонансной Поскольку среднеквадратичная скорость где постоянная Больцмана, равна при требуется приблизительно циклов поглощения и испускания фотонов для уменьшения скорости до значений, близких к нулевым. В этом случае спектральная ширина атомной линии уменьшается от значения доплеровского уширения до значения естественного уширения. Если интенсивность возбуждающего света достаточно высока для того, чтобы насытить атомный переход, то при радиационном времени жизни верхнего состояния, равном 2 не, время одного цикла поглощения и спонтанного испускания получается близким к 4 не. Следовательно, требуется минимум для того, чтобы охладить атом до температуры, близкой к нулю и фактически привести его в состояние покоя. Ханш и Шавлов (Hansch and Schawlow, 1975) - авторы этой идеи, предположили, что для ее практического воплощения достаточно шести лазерных пучков, направленных параллельно и антипараллельно трем

координатным осям, которые, кроме того, способны удержать медленные атомы. В экспериментах на нейтральных атомах натрия (Phillips and Metcalf, 1982; Prodan, Phillips and Metcalf, 1982) были достигнуты эффективные температуры порядка Первая ловушка нейтрального атома, основанная на силах, обусловленных спонтанным излучением, была сделана в работе (Raab, Prentiss, Cable, Chu and Pritchard, 1987).

15.8.1. Оптическая меласса

Хотя выражение (15.8.1) и связанные с ним рассуждения объясняют в общих чертах явления замедления и пленения атомов, важно помнить, что оно относится только к среднему передаваемому импульсу, усредненному по многим циклам поглощения и испускания. Вследствие того, что спонтанные испускания имеют случайные направления, они вносят большие флуктуации в движение атома. Кроме того, число циклов флуоресценции, происходящих за любой заданный промежуток времени, само является случайной переменной. В результате движение атома приобретает характер броуновского движения и среднеквадратичное расстояние, проходимое атомом за заданный интервал времени пропорционально а не Диффузионное движение атома, обусловленное воздействием света, напоминает движение в вязкой жидкости и получило название оптическая меласса. Это явление наблюдалось впервые в работе (Chu, Hollberg, Bjorkholm, Cable and Ashkin, 1985), а также исследовалось в работе (Phillips, Prodan and Metcalf, 1985).

Рис. 15.17. Схема эксперимента по охлаждению и пленению атомов в оптической мелассе (Phillips, Gould and Lett, 1988)

На рис. 15.17 показана схема установки, которая использовалась для изучения охлаждения и вязкого удержания атомов натрия в оптической мелассе. Пучок атомов натрия направляется вдоль оси конического соленоида, который компенсирует изменяющийся доплеровский сдвиг изменяющимся зеемановским сдвигом, где он непрерывно охлаждается распространяющимся навстречу лазерным пучком. Атомы, которые не останавливаются полностью за время прохождения сквозь соленоид, вылетают в главную экспериментальную камеру, где некоторые из них захватываются в мелассе в области пересечения шести лазерных лучей. В данном эксперименте максимальная плотность мощности света в мелассе была порядка