1626435886-1cce6bde8b5ee3bdaa35d7367a651ad8 (844327), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Данная идея, развив ранние предложения Кастлера [34] и Зельдовича [35], открыла новые применения светового давления, основанные на замедлении движения атомных частиц. Явление радиационного охлаждения основано па том обстоятельстве, что сила резонансного светового давления благодаря эффекту Доплера является селективной функцией атомной скорости. Согласно (1.3), заданной частоте га световой волны соответствует определенная скорость, при которой частица оказывается в резонансе с излучением. В частности, при облучении частиц световой волной, отстроенной в низкочастотную область линии поглощения (ю ( гэ,), в резонансе с излучением оказываются частицы, движущиеся навстречу волне. В этом случае сила светового давления направлена против скорости и замедляет двин~епие частицы.
Если световое поле содержит несколько волн с частотами ы, ( ы, и волновыми векторами, направленными к центру ансамбля частиц, то замедление каждой отдельной частицы приводит к охлаждению всего ансамбля. Данное явление, естественно, не зависит от типа частиц и имеет место как для свободно движущихся атомов [33], так п для атомных частиц, находящихся во внешнем потенциальном поле, например для атомных ионов, локализованных в электромагнитных ловушках [31, 32]. Теоретические исследования данно~о явления показали, что па основе радиационного охлаждения может быть достигнута температура, определяемая естественной шириной липин 7 атомного перехода [36 — 42]: (1.6)' Здесь йэ — постоянная Больцмана. Порядок минимально возмож- т6 лого зпачеппя температуры для типичных оптических переходов атомов лежит в области 10 ' — 10 ' К.
Возможность получения атомных частиц со столь низкой трансляционной температурой сразу же привлекла внимание исследователей к перспективам применения холодных атомов и ловов в лазерной спектроскопии сверхвысокого разрешения и для создаш~я прецизионных стандартов частоты. Дело в том, что в данных областях точность измерений ограничена во многом именно недостаточно лизкой трансляционной температурой атомных частиц, обусловливающей разли1ные механизмы уширения спектральных линий, из которых особенно значительными являются квадратичный эффект Доплера и пролетное уширение. В связи с возможностью решения данных важпых задач исследования радиационного охлаждения атомных частиц составили одно из центральных направлений в проблеме резонансного светового давления.
Отметим, что кроме цитированных выше работ первые исследования вопросов радиационного охлаждения атомов были даны в [43 — 48]. Практическая реализация способов получения холодных частиц пошла по двум направлениям. В одном из них экспериментальные усилия направлены на получение холодных атомов посредством замедления атомных пучков встречным лазерным излучением [49 — 53]. Теоретическому анализу этого направления бьан посвящены работы [54 — 57]. В другом направлении экспериментально исследуется радиационное охлаждение атомных ионов, локализованных в электромагнитных ловушках [58 — 65]. Теоретические проблемы этого направления изучались в работах [38, 41, 42, 66, 67].
Важными достижениями этих исследований явились эксперименты по охлаждению локализованных ионов магния и бария до температуры 10 ' К [62 — 65] и эксперименты по замедлению атомных пучков натрия с понижением температуры относительного движения атомов до 1,5 К в [51] и до 70 мК в [53]. Достигнутые значения температур, однако, еще достаточно далеки от предельного теоретического значения Т ы 10 ' — 10 ' К.
В связи с этим в ближайшие годы можно ожидать нового прогресса в экспериментальных исследованиях радиационного охлаждения атомных частиц. Проблема атомного охлаждения лазерными полями как по практическому значению, так и по ее влиянию на развитие теории атомного движения в световых полях явилась первой крупной проблемой, поставленной ходом современных исследований резонансного светового давления. Второй важной проблемой, стимулировавшей развитие исследований светового давления, явилась проблема локализации холодных атомов в световом поле.
1.2.4. Проблема локализации атомов в световом поле. Важность локализации элементарной или атомной частицы в ограниченной области пространства, вообще говоря, не требует 17 специальных пояснений, поскольку локализованная частица является идеальным объектом для тонких физических экспериментов. Проблема локализации является, однако, одной из сложнейших в экспериментальной физике, и на сегодняпший день известны всего несколько успешных примеров такого рода. Успешно решены, в частности, задачи локализации заряженных частиц (электронов и ионов) в электромагнитных полях [68] и нейтронов в магнитном поле [69]. В случае заряженных атомных частиц (атомные и молекулярные ионы) методы локализации основаны на удержании частиц в неоднородном статистическом электрическом поле, па которое наложено магнитное поле (ловушка Пеппинга), либо в неоднородном высокочастотном электрическом поле (радиочастотная ловушка) [68].
Впервые проблема локализации нейтрального атома в световом поле была поставлена Летоховым [70], предположпвшим, что атомы могут быть локализованы в узлах плн пучностях стоячей световой волны, частота которой находится вдали от частот атомных переходов. Впоследствии идея локализации атомов в области, определяемой длиной световой волны, обсуждалась в [7г, 72]. В более поздних работах [73, 74. 36, 44] данная идея была перенесена на резонансную стоячую волну. Для стабильной локализации даже ультрахолодных атомов нерезонапсным световым полем требуется весьма высокая пнтенсивность непрерывного лазерного излучения [70, 72], поэтому такой эксперимент еще не осуществлен. В резонансном лазерном поле требования на интенсивность снижаются, и, как показали расчеты [75], стабильная локализация холодных атомов возможна в том случае, когда атомы находятся в когерентной суперпозиция основного и возбужденного состояний.
В связи с трудностями локализации атома в области с размерами порядка длины световой волны, внимание исследователей было перенесено па анализ возможности локализации атомов в макроскопической областп, образованной пересечением световых лучей [76 — 82]. Все идеи создания радпациоппой ловушки для атомов были основаны на использовании радиационных сил для одновременного охлаждения и локализацип атомов в световом поле. Для того чтобы световое поле охлаждало атомный ансамбль, частота поля предполагалась выбранной мепьпю частоты резонансного атомного перехода.
Для образования потенциальной ямы для холодных атомов было предложено трп способа. Согласно одному из пнх [76] потенциальная яма могла быть создана градиентной силой. В этом подходе предлагалось использовать световое поле, образованное пересечением нескольких лучей. В частности, было предложено использовать шесть лазерных лучей, распространяющихся в направлениях -~х, -ьу, .+г декартовой системы координат [76, 78].
Другой подход был основан на комбинированном использования градиентной силы п силы светового давления [77]. В этом подходе, в частности, предлагалось использовать световое поле, 18 созданное двумя встречными расходящимися световыми лучами. Предполагалось, что поперек общей оси лучей атомы будут удерживаться градиентной силой, а вдоль оси — силой светового давления [77, 79, 801.
Наконец, в третьем подходе было предложено создать потенциальную яму за счет силы светового давления, действующего на атом в центрально-симметричном световом поле [81, 821. Такие поля могут быть образованы пересечением четырех, шести илн большего числа лазерных лучей. Детальные исследования данных предложений показали, что пи одно пз ппх пе решило проблему стабильного удержания холодных атомов. Эшкнн и Гордон [831 нашли, что потенциал силы светового давления пе имеет абсолютного минимума.
Мипогпп [841 показал, что потенциальный барьер, создаваемый градиентной силой, не превьппает минимальную кинетическую энергию холодных атомов. Поиск других возможностей длительного хранения холодных атомов показал, что стабильная локализация холодных атомов возможна в неоднородных магнитных полях за счет действия на атом магпитодппольной силы. Необходимые для локализации атолшв поля могут быть созданы в тороидальных или сферических магнитных ловушках [85). Длительное хранение холодных атомов (в том числе единичных атомов) в магнитных ловушках моясет иметь важное значение.для прецизионных экспериментов в области атомной физики и сйектроскопии.
В частности, можно ожидать, что холодные локализованные атомы найдут применение в лазерной спектроскопии и будут использованы для создания стандартов частоты. Перечисленные работы дают представление об основных идеях и задачах, составляющих содержание современных исследований. Указания па другие, пе отмеченные нами исследования, могут быть найдены в обзорах [15, 86 — 921.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
