Техника - молодёжи 1998-02, страница 6

весьма своеобразный. Тесно прижавшиеся друг к другу в центре протоны и нейтроны окружены многослойной электронной оболочкой. И передать импульс движения атому лазерный пучок, согласно законам квантовой физики, может лишь в том случае, когда атом поглощает фотоны.

В БЛАСОРОДНОМ

СЕМЕЙСТВЕ лауреатов 1997 г.

10декабря 1997г., вдень 101-й годовщины смерти учредителя премии Альфреда Нобеля, как обычно, в Стокгольме состоялись торжества по поводу вручения дипломов, медалей и миллионных чеков очередным лауреатам. Редкий год обходится без шума по этому поводу. Но прошедший, пожалуй, ознаменовался рекордным числом скандалов. Расскажем о некоторых из них...

«ЛАЗЕРНЫЙ

ЗАХВАТ» ПРОШЕЛ БЕЗ

УЧАСТИЯ РОССИЙСКИХ ФИЗИКОВ. ПОЧЕМУ? КТО В ТОМ ВИНОВАТ?

Нобелевскую премию по физике поделили между собой двое американских и французский ученые — Стивен Чу из Станфорд-ского университета, Уильям Филлипс из Мерилендского национального института стандартов и технологий, а также Клод Коэн-Таннуджи из Коллеж де Франс. Выдана она за разработку методов «замораживания и поимки» атомов газа с использованием лазерного луча.

Вообще-то охлаждение и захват атомов таким способом — различные, хотя и связанные между собой процессы. Для чего они нужны?

Ученые давно уже научились управлять потоками электронов, ионов и других заряженных частиц, используя электромагнитные «вожжи». Притягивая частицы полями противоположного знака или отталкивая одноименными, можно направлять их куда угодно.

Однако мир в основном состоит из нейтральных частиц — молекул, атомов, нейтронов, внешне никак свой заряд не проявляющих. Как управлять ими?

В поисках ответа на этот вопрос исследователи предложили для начала притормозить бег таких частиц, замедлить их. Наиболее простой способ достижения цели — замораживание, охлаждение до сверхнизких температур.

На первом этапе температуру конгломерата частиц понижают, помещая их в крио-стат. Воспринимая температуру окружающей среды (в данном случае — сжиженного газа), частицы могут быть охлаждены примерно до 1 К, или -272,16° С.

В 1968 г. наш соотечественник, доктор физико-математических наук В.С.Летохов предположил, что замороженные таким образом нейтральные атомы уже могут управляться лазерными пучками благодаря действию дипольной силы, а еще через 10 лет А.Эшкин из AT&T Bell Laboratories предложил более удобную ловушку с использованием сфокусированных лазерных пучков.

Суть идеи заключается в следующем. Как известно, свет обладает определенным, пусть и мизерным давлением. Стало быть, в принципе лазерный луч можно использовать подобно бильярдному кию, подталкивая шары-атомы в нужном направлении.

Однако, вспомните, атом — все-таки шар

Электрон, поглотивший фотон, перескакивает на другую, более высокую электронную орбиту, держится там определенное время, а потом возвращается назад, «выплевывая» полученную энергию опять-таки в виде фотона.

Причем если испускание фотона происходит в случайном направлении (электроны беспорядочно вращаются по своим орбитам), то поглощение мы можем как-то контролировать, испуская лазерный луч из определенной точки под строго рассчитанным углом. И множество фотонов, осыпая, словно из пулемета, движущийся им навстречу атомный шар, способны притормозить его движение.

Так говорит теория. Но практика должна ответить и еще на один вопрос. Каким образом выбрать из множества атомов тот единственный, движущийся строго навстречу лучу, как прицелиться, сосредоточить фотонный поток именно на нем? Реально ведь ни один снайпер не может выцеливать атомы поштучно...

Тот же Летохов и его коллеги нашли ответ и на этот вопрос. Они выяснили, что «стрелять» по атомному шару имеет смысл лишь световым излучением строго определенной длины волны или частоты, попадающим в резонанс с собственными колебаниями электронов на своих орбитах. Иначе — как об стенку горохом... Фотоны не будут погло щаться электронами, а значит, атом и ь лучит импульсов торможения. Причем тральный резонанс заодно способен обес печить и надежное прицеливание мам, движущимся строго навстречу лазер ному пучку, поскольку тут срабатывает эф фект Доплера.

Последний, как вы помните, в простей шем случае заключается в следующем. Гудок стоящего локомотива, движущегося нам навстречу или удаляющегося от нас, будет казаться нам разного тона или частоты. А коли так, значит, и частоту лазерного пучка можно подобрать с таким расчетом, что испускаемые фотоны будут восприниматься лишь атомами, движущимися строго навстречу пучку. И никакими другими!

На этой остроумной догадке в 1975 г. Т.Хэнчем и А.Шавловым из Станфордского университета, а также Д.Вайнлэндом и Г.Де-мелтом из Вашингтонского университета и была построена лазерная ловушка для нейтральных атомов. Они поставили попарно шесть лазеров по трем взаимно перпендикулярным осям и притормозили таким образом сразу множество атомов, двигавшихся в разные стороны.

А еще 10 лет спустя, усовершенствовав подобную систему, А.Эшкин. Л.Холлберг, Дж. Бьорхольм, А. Кейбл и С.Чу выяснили, что атомы натрия в эксперименте при этом охлаждаются до 0,00024 К! «Световое поле действует как вязкая жидкость, — поясняет Чу, — поэтому мы назвали такую конфигурацию лазерных пучков

Она, эта «патока», как вскоре выяснилось, не была идеальной ловушкой — атомы «увязали» в ней всего на 0,5 с — но на-

А Ц И Й

чало было положено. За дело взялись ученые разных стран. Вскоре, например, У.Филлипс и его коллеги обнаружили, что при определенных условиях «оптическую патоку» можно использовать для охлаждения атомов до температур ниже предела, предсказанного существующей теорией. Открытие,'в свою очередь, побудило группу К. Кохен-Таунджи из Французского колледжа и группу С.Чу из Станфорда создать новую теорию лазерного охлаждения, основанную на еще более сложной взаимосвязи между атомами и их взаимодействием со световыми полями. А это опять-таки позволило усовершенствовать ловушку, получив в 1995 г. охлаждение до 2 — 3 мК (микрокельвинов).

Остановленные в своем беге атомы стали настолько чувствительны к световому давлению, что теперь лазерными пучками можно действовать, словно пинцетом, подвигая

Схема эксперимента по лазерному удержанию атомов: 1 и 8 — зеркала; 2 — окно для проникновения лазерного луча; 3 — подача предварительно охлажденного газа; 4 — световые барьеры; 5 — термоизоляционная оболочка; 6 — «оптический пинцет»; 7 — манипулятор управления.

Схема «оптического пинцета»: 1 и 3 — линзы; 2 — зеркала; 4 — исследуемый образец; 5 — освещающий пучок; 6 — захватывающий пучок; 7 — видеокамера.

микрообъекты, что называется, поштучно. На рисунке, например, вы можете увидеть схему «оптического пинцета» — установки, позволяющей перемещать микробы, даже отдельные части (органеллы) внутри живой клетки, не разрушая ее! Зеленый свет освещает образец, а инфракрасное излучение захватывает и удерживает его.

ТЕХНИК А-МО Л О Д Е Ж И 2 ' 9 8

шя