Охлаждение атомов

Охлаждение атомов

Если данная статья когда-нибудь появится на страницах научного журнала, то автора закидают перезрелыми помидорами. К чему такой негатив, спросит читатель? Несмотря на впечатляющие достижения атомной физики в последнее годы в области пленения и охлаждения нейтральных атомов, на мой взгляд, даются неправильные выводы этих экспериментов.

В погоне за сверхнизкими температурами и Нобелевскими премиями (по лазерному охлаждению уже присуждены две Нобелевские премии и ожидается третья), физики так увлеклись, что «не заметили», как опустились ниже абсолютного нуля температуры. По утверждению немецких исследователей достигнута рекордно низкая температура, с отрицательным знаком по шкале Кельвина [1].

Так почему возмутится научное сообщество? Причина одна оно воспримет в штыки мои поправки в том, что, во-первых: никакого лазерного охлаждения в действительности нет, а есть только остановка атомов в своем хаотическом движении; во-вторых: нет и радиационного давления, с помощью которого якобы происходит остановка и пленение атомов. Как произошла подмена понятий, вот это я попытаюсь доказать.

В мире наночастиц вся материя движется хаотически, примером тому «вечные» колебание атомов в кристаллической решетке и Броуновское движение. Иногда это движение называют безопорным, что не верно. Эти хаотические движения осуществляется за счет внешней энергии, энергии Земли и Солнца. Только абсолютный нуль может остановить частицы в своем движении. Когда появились лазеры, то оказалось, что в некоторых экспериментах при облучении микро- и нанообъектов с определенной частотой их удавалось затормозить и пленить. Такая же ситуация наблюдалась с нейтральными атомами. За разработку методов лазерного охлаждения и удержания атомов в оптической ловушке Стивен Чу (США), Клод, Уильям Филипс (США), Клод Коэн-Тануджи (Франция) были удостоены Нобелевской премии по физике в 1997 году. За конденсацию Бозе-Эйнштейна в разреженных газах щелочных металлов и за первые фундаментальные исследования свойств конденсатов была присуждена Нобелевская премия Эрику А. Корнеллу (США), Вольфгангу Кеттерле (Гермаия), Карлу Е. Вайману (США) в 2001 году.

Как часто бывает в эпохальных открытиях присутствуют российские корни. Еще в 1968 году сотрудниками Института спектроскопии во главе с В.С. Летоховым была сформулирована проблема теоретически, а его ученики провели первые эксперименты в этой области. Но, увы, не всегда первооткрывателям достаются лавры от науки, и в этом присутствует некая несправедливость. Но сейчас разговор не об этом.

Молекулы и атомы в воздухе при комнатной температуре движутся зигзагообразно со скоростями порядка скорости звука – 300 м с-1. Чтобы провести информационное действие с такими атомами нужно их как-то остановить. Тормозов у них нет, трение в воздухе отсутствует, тогда, как хотя бы уменьшить скорость хаотического движения? Для этого нужно понизить температуру всего окружающего пространства. Исследования показали, что при понижении температуры до –270о С, скорость молекул и атомов уменьшалась в три раза.

Если охлаждать атомный газ классическими методами, то происходит его конденсация, а при низком давлении атомов в газовой фазе почти не остается. Поэтому исследования свободных атомов проводились с быстрыми атомами. Высокие скорости ограничивают время наблюдения, кроме того спектральные линии получаются уширенными и не дают полной информативной картины.

К сожалению, достичь сверх низких температур традиционными способами дорого, да и практически невозможно.

Чтобы захватить атомы, нужно погасить тепловую скорость, что равносильно их охлаждению, т.к. скорость пропорциональна квадратному корню из температуры [2]. Таков классический подход к данной проблеме. «Только при приближении к абсолютному нулю -273° С скорости значительно уменьшаются. Если температура составляет величину порядка одного мкК, то скорость атомов, например, водорода составляет 25 см/с» [3]. «Если атомарный газ со всех сторон облучать лазерным светом с частотой меньше частоты атомного перехода, то в газе увеличивается количество медленных атомов, что и означает уменьшение его температуры. Минимальная температура атомарного газа при лазерном охлаждении составляет 10-6 К [4]».

Исходя из данного подхода, если скорости атомов уменьшаются, то это интерпретируется как понижение температуры, а если атомы практически останавливаются от направленного действия лазерных лучей, то температура, якобы достигает экстремально низкой, почти абсолютного нуля. Но так ли это?

Оптическая патока

Наука не стоит на месте, и ученые нашли способ остановки атомов, с помощью лазерного излучения, путем прямого воздействия фотонов на атомы. При этом экспериментаторы утверждают, что от такого воздействия атомы охлаждаются.

Если мы освещаем атомы с помощью лазера, то они должны быть более энергонасыщены, а не охлаждены до сверх низких температур. Данный вопрос смущает не только меня, но многих ученых, в том числе и некоторых физиков.

Что это за такой эффект охлаждение атомов с помощью лазерного излучения? Как понять и объяснить поведение атомов, когда их не охлаждают, а в прямом смысле накачивают энергией?

В современной физике данное явление объясняется следующим образом. При комнатной температуре молекулы газа обладают средней энергией

Ek=3/2kBT~mv2/2,     (1)

т.е. обладают кинетической энергией, которая связана с температурой. Отсюда, уменьшение кинетической энергии трактуется как охлаждение газа.

Безусловно, если охладить газ в каком-то объеме до 0К, то молекулы должны остановиться. Но что-то здесь не так, продолжим разбирательство.

Все началось в 1975 году, когда Хеншель и Шавлов предложили идею направленного встречного лазерного пучка на атомы. Предполагалось, если частота лазера находится ниже атомного резонанса, то с учетом доплеровского сдвига, будет происходить поглощение фотонов и за счет импульсов фотонов и собственной отдачи возникнет торможение и охлаждение атомов.

Таким способом оказалось возможным локализовать микрочастицы, направляя на них встречно два сфокусированных лазерных луча. Такую задачу впервые решил Ашкин в 1970 г., пленив микронные частицы [5]. Но пленить атомы в такой ловушке не удавалось, т.к. они быстро разлетались по сторонам. С. Чу со своими ассистентами для устранения поперечного разлета атомов использовали шесть лазеров, расположив попарно и оппозитно по трем осям в пространстве. В процессе экспериментов было получено состояние, когда атомы двигались как частицы, находящиеся в вязкой жидкости. Этому явлению С. Чу дал емкое название «оптическая патока». В нобелевской статье он пишет следующее: «Ловушка работала. Фактически мы могли видеть хаотическую загрузку своими собственными глазами. Крошечная точка света становилась все более яркой, по мере того как все больше атомов оказывалось в ловушке» [6].

Вопреки теореме Ирншоу[1], атомы приобретают устойчивость, попадая в оптическую ловушку. Температура оптической патоки определялась около 240 мкК, рассчитывалась по баллистическому разлету облака после выключения всех лазерных пучков.

Второй нобелевский лауреат У.Филипс применил так называемую магнитооптическую ловушку (МОЛ), которая обеспечивала возможность захвата большего количества атомов со скоростями, меняющимися в более широком диапазоне [2]. Предполагается, что пленение атомов в такой ловушке осуществляется силой радиационного давления лазерного излучения за счёт переходов между магнитными подуровнями основного и возбуждённого состояний атома в магнитном поле. Иногда добавляют, что лазерное поле обеспечивает силу трения, зависящую от скорости атомов и приводящую к охлаждению, а магнитное поле создает возвращающую силу, зависящую от положения атомов (об этом упоминал Коэн-Тануджи в своей нобелевской статье [7]).

Вопрос первый.

Если атомы «светятся», о чем поведал С.Чу, то как атомы в это время могут быть охлажденными? Гипотетически предположим, что в лаборатории есть криогенная камера, в которой можно достичь температуры 240 мкК, или 40 мкК, такую температуру достиг Филипс, или 2,4 мкК температуры, которую достиг еще один нобелевский лауреат Коэн-Тануджи [7]. Плотно упакуем атомы, поместим их в данную камеру и охладим до указанных температур, что мы увидим? Естественно ничего. Вывод напрашивается следующий, при освещении, шестью лазерами, даже самой слабой интенсивности, мы будем накачивать атомы энергией. Поэтому, на мой взгляд, здесь нужно говорить об эффективной температуре, которая может быть выше комнатной.

Вопрос второй.

Если подходить к проблеме замораживания атомов классическими методами, то атомы должны находиться в более охлажденном состоянии при обычной комнатной температуре, когда на них не направлен никакой источник энергии. Вот здесь у приверженцев лазерного охлаждения сразу возникает контр вопрос: откуда у атомов кинетическая энергия движения? Измерено и подсчитано, что атомы при комнатной температуре двигаются в различных направлениях со скоростями около 4000 км/час.

Почему атомы и молекулы летают на таких высоких скоростях, и почему они вообще летают? Ответ дает «Фотонно-квантовая гравитация» [8], а также статьи по Броуновскому движению [9], [10].

Молекулы и атомы, находясь в Броуновском движении, трансформируют тепловую энергию Солнца и Земли в кинетическую энергию хаотического движения. Поскольку солнечных и земных фотонов огромное количество, то они постоянно и прицельно «пристреливают» молекулярные и атомные мишени. После попадания фотона в атом с энергией Е1, последний получает импульс притяжения p1 к источнику и одновременно возбуждается (рис.1a). Через 10-8 секунды, освобождаясь от этой энергии, атом спонтанно излучает свой вторичный фотон (красный фотон, для краткости – крафон) с энергией Е2 с импульсом придачи p2. Я не оговорился, не за счет импульса отдачи, а импульса придачи (рис 1b).

Охлаждение атомов

Рис.1

С помощью данного импульса атом начинает движение по направлению вектора отлета крафона, т.е. в том же направлении, а не наоборот, как предписывает существующая теория. Чем меньше масса атома или молекулы, тем большую скорость они приобретают и летят уже холодными, до получения следующего кванта энергии, до нового зигзага пути.

Атомы в оптической патоке становятся «вялыми» не потому, что они охладились до сверх низких температур, или получили сильное трение от среды, а потому, что они постоянно поглощают фотоны и постоянно излучают крафоны, находясь в неком статическом (колебательном) состоянии, на резонансной частоте. Для того чтобы получить такой эффект, необходимо подобрать соответствующую частоту излучения лазеров. Частота должна быть немного ниже или выше резонансной. Поскольку испаренные атомы летят навстречу фотонному лучу, то в данном случае из-за эффекта Доплера, частота подбирается несколько ниже резонанса. При совпадении частот в резонансе, некоторые атомы могут получить сильное колебание и покинуть поле обзора.

Для того чтобы атом остановился, нужны два противоположно и одновременно направленных импульса придачи, как показано на рисунке 2а. На атом воздействуют два противоположных импульса-вектора А и В, которые уравновешивают друг друга. Для полного равновесия требуется импульсы-векторы, направленные спонтанно во всех трех измерениях, рис. 2b. Поскольку атом не может испустить одновременно два противоположно направленных импульса, то нужно заставить его излучать на такой частоте, чтобы он, из-за своей инерционности, не смог сдвинуться с места. Что и было сделано в лаборатории нобелевского лауреата С. Чу. С помощью шести лазеров и подбора резонансной частоты излучения атомное облако попало в оптическую ловушку.

охлаждение атомов

Рис. 2

[1]Теорема Ирншоу — теорема электростатики, согласно которой система покоящихся точечных зарядов, расположенных на любом расстоянии друг от друга, не может находиться в состоянии устойчивого равновесия.

Продолжение статьи читаем далее...

Назад  Вперед

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *


Ваш комментарий на модерации.