Наука

Лазерное охлаждение

 

   Развитие методики лазерного охлаждения атомов позволило исследователям работать с пучками медленно движущихся (и, соответственно, имеющих достаточно большую дебройлевскую длину волны) элементарных частиц. Для таких медленно движущихся частиц должен проявляться эффект квантового отражения от притягивающего ван-дер-ваальсовского потенциала (вблизи поверхности твердого тела).

   Японские ученые недавно создали на основе данного эффекта отражательный атомный оптический элемент. В квантовой механике частицы могут испытывать отражение от сильного скачка потенциала независимо от его знака. Такое квантовое отражение может происходить, когда изменение волнового вектора налетающей частицы на масштабах дебройлевской длины волны частицы превышает первоначальное значение волнового вектора. Вблизи поверхности твердого тела может иметь место квантовое отражение не только от короткодействующего отталкивающего потенциала, но и от притягивающего ван-дер-ваальсовского потенциала. Квантовое отражение от притягивающего ван-дер-ваальсовского потенциала будет иметь место для атомов, движущихся с малой скоростью и, соответственно, имеющих достаточно большую дебройлевскую длину волны (для быстро движущихся атомов будут происходить отражение непосредственно от поверхности - от короткодействующего отталкивающего потенциала).

   Некоторое время назад японским исследователям удалось наблюдать квантовое отражение атомов неона, находящихся в метастабильном состоянии, от притягивающего ван- дер-ваальсовского потенциала в экспериментах с кремниевой подложкой. В этих экспериментах для атомов, движущихся со скоростью 1 мм/с, коэффициент отражения достигал 30 %. Продолжая свою работу, ученые создали на основе универсального взаимодействия нейтральных атомов с поверхностью твердого тела атомно-оптический элемент.

   В качестве первой демонстрации возможностей атомного оптического элемента на основе эффекта квантового отражения было получено 'голографическое' изображение слова SURFACE (поверхность), нанесенного на поверхность подложки. С помощью фотолитографии на поверхности кремния была создана структура из вертикальных и горизонтальных полосок, сужающихся кверху (ширина верхней части полоски - 100 нм). Группы по 10 горизонтальных полосок длиной 25 мкм между двумя вертикальными полосками длиной 100 мкм формировали 'ячейки' с большим - по сравнению с окружающей плоской поверхностью кремния - коэффициентом отражения. Эти ячейки складывались в слово 'SURFACE', создавая своего рода поверхностную голограмму для атомных волн.

   Схема эксперимента изображена на приведенном здесь рисунке. Свободно падающие из магнито-оптической ловушки атомы неона, находящиеся в метастабильном состоянии, попадали на кремниевую подложку с нанесенной на ее поверхность 'голограммой'. Отраженные от подложки атомы попадали на микроканальный детектор (MCP), где и происходила 'реконструкция изображения'.

   Таким образом, была продемонстрирована возможность создания стабильных и высококачественных твердотельных атомных оптических элементов на основе эффекта квантового отражения (особенно удобно будет использовать такие элементы для легких атомов водорода и гелия).