Техника - молодёжи 1990-09, страница 9

ного стекла, в корпускулярной — магнитные поля, которые воздействуют на заряженную частицу. Однако самые подходящие для «зондажа» микромира нейтральные атомы. Вопрос: как ими управлять? В. С. Летохов предлагает использовать для этого давление света.

Еще в 1897 году существование этого эффекта предсказал Джеймс Максвелл в своем фундаментальном исследовании «Трактат об электричестве и магнетизме». Он теоретически обосновал высказанную в 1619 году идею Кеплера о световом давлении на хвосты комет. В 1899 году предсказание сбылось: эффект был экспериментально обнаружен П. Н. Лебедевым, который отметил возможность резкого увеличения давления света в условиях резонансного колебания микрочастиц. А в 1933 году Отто Фриш наблюдал отклонение атомного пучка резонансным излучением натриевой лампы Однако только с изобретением лазера световое давление из едва заметного физического эффекта стало мощным инструментом воздействия. С помощью лазера ученые стали «играть» атомами, как жонглер — булавами в цирке.

Летохов, Ашкин, Демелт, Чу, Мет-калф... В течение 20 лет, начиная с конца 60-х годов, в разных странах физики локализуют, охлаждают, левитируют атомы в магнитном поле или ла- -м зерном луче. Некоторые из исследова-телей работают с атомными пучками, ^4ИО/йны*»пуч™»» замедляя их, фиксируя атомы в маг- л нитных и оптических ловушках. .

Что же происходит с нейтральной' частицей, попавшей в лазерный луч? Если она находится в резонансе с электромагнитной волной, как было у Рамзея, то ее поведение предсказать нетрудно. Летохов же использовал лазерное излучение, частота которого отличается от частоты поглощения атома.

В этом случае из-за «расстройки» частот возникает радиальная составляющая силы — она отклоняет атом от оси пучка. В гауссовом лазерном луче, неоднородном по диаметру, кроме радиальной на атом действует еще и градиентная сила, возникающая из-за неоднородности светового потока. В зависимости от параметров излучения атом либо «вытесняется» на периферию луча, либо «смещается» к оси потока. При этом ускорение, действующее на атом, в 100 тысяч раз больше ускорения силы тяжести.

Давление света помогает управлять атомными пучками, так же как преломление света в линзе или отражение луча от зеркала позволяет управлять его распространением. Значит, тем, кто задумал создать атомную оптику, прежде всего необходимо побеспокоиться об аналогах таких известных оптических устройств, как коллиматор, линза, зеркало.

На переднем крае науки

Коллиматор. До изобретения лазеров узконаправленный пучок света получали, пропустив его через щель. В атомной оптике вместо щели используется аксион. Лучи света отражаются от конусообразного зеркала и «сдавливают» атомный пучок. Поток атомов проходит как бы сквозь строй фотонов. На выходе из аксиона диаметр пучка уменьшается, а плотность частиц по его оси возрастает в несколько раз.

Линза. Пучок можно сфокусировать тоже с помощью лазера. Впервые это попробовали сделать сотрудники лаборатории «Белл Телефон» в 1980 году. Они пускали атомный пучок по оси лазерного луча. При достаточно большой протяженности совместного полета атомный пучок под действием' радиальных сил сжимался до диаметра 26 мкм.

ИьоврдшЕ-ММе. лтоммык, источников

TUocKpcml? мэоьрлшеим^

Летохов и его коллеги выбрали иную конфигурацию лазерного поля (см. рисунок) . Четыре гауссовых луча распространяются навстречу друг другу и образуют «лазерную линзу». Причем

частота лазера настроена в резонанс с частотой поглощения атомов При этих условиях на каждый атом действует сила светового давления, возвращающая его к оси пучка. Это и другие устройства «лазерных линз» позволяют получить в фокусе «линзы» атомный пучок диаметром всего лишь в несколько ангстрем (размер атома).

И наконец, зеркало. Параболическим зеркалом можно фокусировать луч, так же как и линзой. Идею создания атомного аналога оптического зеркала высказали в 1982 году американские исследователи Р. Кук и Р. Хилл. А спустя 5 лет Летохов с коллегами экспериментально наблюдали отражение атомного «луча» от лазерного зеркала. Как оно устроено?

Если поместить в вакуум пласТинку диэлектрика и освещать ее торец лазером, то из-за многократного внутреннего отражения луча в пластине, на границе диэлектрик-вакуум образуется так называемая поверхностная волна. В ней создается громадный градиент интенсивности света. Градиентная сила действует на приближающийся из вакуума атом, тормозит его, затем изменяет траекторию, ускоряет и отталкивает, не давая приблизиться к диэлектрику. При этом, как и в любой нормальной оптике, угол падения атомного пучка равен углу отражения. Правда, при комнатной температуре (и соответственно высокой скорости атомов) эта зависимость сохраняется только для углов — до 4 градусов. Ну а если замедлить пучок так, как это уже научились делать исследователи, угол падения может быть любым, поскольку при малых скоростях атомов зеркало «работает» безукоризненно.

Другое замечательное свойство атомного зеркала — его избирательность. Достаточно точно выбрать частоту лазера, и от зеркала будут отражаться атомы, имеющие одно-единственное энергетическое состояние. Все остальные достигнут поверхности диэлектрика и благополучно рассеются в пространстве, отразившись от его неровной (с точки зрения атома) поверхности. А мы получим атомный пучок, где все частицы имеют строго определенную энергию! Своего рода атомный аналог лазера.

Изобретение в 1962 году лазера от-: крыло в оптике широчайшие перепек- -