Лазерное охлаждение

Принцип действия магнито-оптической ловушки (МОЛ) основан на комбинации лазерного охлаждения в конфигурации трех пар встречных лазерных пучков и линейного неоднородного магнитного поля, создаваемого парой катушек Гельмгольца в конфигурации с обратными токами (рис. 1). Лазерное поле обеспечивает силу трения, зависящую от скорости атомов и приводящую к охлаждению, а магнитное поле создает возвращающую силу, зависящую от положения атомов.

mot 2

Рисунок 1 – Комбинация лазерного охлаждения в конфигурации трех пар встречных лазерных пучков и линейного неоднородного магнитного поля, создаваемого парой катушек Гельмгольца в конфигурации с обратными токами 

 

Лазерное охлаждение основано на действии силы радиационного давления, возникающей в результате передачи импульса ħk от световой волны к атому в цикле поглощения и последующего спонтанного излучения. При этом очевидно, что торможение атома будет происходить в результате взаимодействия со встречной волной. Кроме того, нужно учесть, что поглощение лазерного излучения атомом зависит от отстройки частоты атомного перехода и лазера, а в силу эффекта Доплера и от скорости атома. Таким образом, охлаждение атомов в одном пространственном направлении достигается в поле двух встречных лазерных волн, отстроенных ниже частоты атомного перехода (красная отстройка).

Отметим, что охлаждение достигается за счет большого числа циклов "поглощения-спонтанного излучения". Это означает, что для реализации лазерного охлаждения атом должен обладать особой схемой уровней, такой чтобы после цикла "поглощение-излучение" атом всегда возвращался в начальное состояние. Атомы 85Rb, например, имеют подходящий замкнутый переход между состояниями 5S1/2 F=3 и 5P3/2 F=4 (рис. 2 (a) и (b)). Переходы из возбужденного состояния в состояния 5P1/2 запрещены по четности, а распад в состояние 5S1/2F=2 требует изменения углового момента на −2, а для этого необходим более чем один фотон (рис. 3 (c) и (d)). Однако поскольку для охлаждения требуется отстройка лазерного излучения от частоты атомного перехода, существует некоторая вероятность возбуждения атома в состояние 5P3/2 F=3 (раз в 1000 циклов). Если атом возбуждается в это состояние, он может распасться в состояние 5S1/2 F=3 или в "темное" состояние 5S1/2 F=2. В последнем случае атом перестает совершать циклические переходы и охлаждение заканчивается. Для продолжения охлаждения необходимо использовать дополнительный лазер перенакачки резонансный переходу 5S1/2 F=2 → 5P3/2 F=3.

mot 3

Рисунок 2 – Схема поглощения атомов 85Rb

Учитывая многоуровневость атомов сила радиационного давления может быть пространственно промодулирована за счет использования света круговой поляризации и градиента магнитного поля, создаваемого двумя катушками. Рассмотрим это на примере одномерной ловушки (рис. 3). Она состоит из двух встречных лазерных пучков с противоположными круговыми поляризациями, взаимодействующих с переходом между уровнями с Jg=0 и Je=1. Кроме того, на атомы действует статическое магнитное поле, величина которого пропорциональна расстоянию x от центра ловушки x=0: B = bx.

mot 4 

Рисунок 3 – Пример одномерной ловушки

Пусть при нулевом магнитном поле лазерные поля отстроены на величину δ ниже атомного перехода между уровнями Jg=0 и Je=1. В магнитном поле происходит расщепление и сдвиг уровней атома (эффект Зеемана). В результате, уровень Je=1 расщепляется на три подуровня с Me=0 и Me=±1. В области x >0, где B >0, уровень Me=+1 сдвигается вверх, в то время как уровень Me=-1 сдвигается вниз. Слева от центра ловушки наблюдается противоположная картина. Таким образом, в точке x+ справа от центра ловушки магнитное поле подстраивает ближе к резонансу переход с ΔM=-1, а переход с ΔM=+1 оказывается отстроенным дальше от резонанса.

Для того чтобы захватить атомы в центре ловушки, где магнитное поле равно нулю, необходимо организовать взаимодействие атомов с лазерным полем таким образом, чтобы оно толкало их в направлении x=0.

Известно, что эффективность взаимодействия с полем атомов в состояниях Me= ±1 зависит от направления их движения и поляризации поля. Так, атомы в состоянии Me=-1 наиболее эффективно взаимодействуют с поляризацией σ+, если они движутся в направлении лазерного пучка, и с σ-, если движутся навстречу пучку. Для состояния Me=+1 все происходит наоборот. Тогда для того, чтобы на атомы действовала сила, толкающая их к центру ловушки, необходимо выбрать поляризацию лазерного пучка, падающего справа, σ-, а слева – σ+. В этом случае атомы, двигающиеся в положительном направлении оси x, будут эффективно взаимодействовать с волной σ-, рассеивая из нее свет и получая импульс в направлении противоположном их движению. Атомы, двигающиеся в противоположном направлении, будут слабо взаимодействовать с обеими волнами до тех пор, пока не попадут в область слева от начала координат, где уровни Me=±1 меняются ролями. Теперь больше света рассеивается из волны σ+, приводя опять к возникновению силы, толкающей атомы к центру.

Эксперименты с МОЛ

МОЛ обеспечивает предварительное охлаждение ансамбля атомов для получения конденсатов Бозе-Эйнштейна и вырожденных Ферми газов, для прецизионной спектроскопии и стандартов частоты на основе атомного фонтана. Несмотря на значительный прогресс в охлаждении атомарных газов проблема охлаждения ансамблей сложных частиц остается актуальной. В связи с этим ведется поиск универсальных методов охлаждения, не зависящих от внутренней структуры частиц. В частности, перспективным считается применение метода обратной связи, основанного на измерении сигнала обратного брэгговского рассеяния [J. Phys. B 47, 135303 (2014); JETP Lett. 100, 536 (2014); JETP (2015)]. На этапе разработки метода целесообразно использование в качестве тестовых частиц атомы, предварительно охлажденные в МОЛ. Такое применение, имеющейся в РЦ ОЛМИВ МОЛ, предполагается, например, в проекте 11.38.640.2013 в рамках Мероприятия 2.

Дополнительная информация: