Ученые объединили ультрахолодные атомы с ультракороткими лазерами

Москва, 16:45, 06 Июл 2018, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

В Гамбурге впервые были объединены две отдельные области исследований. Ультракороткие лазерные импульсы позволяют наблюдать и манипулировать веществом в очень коротких временных масштабах, тогда как ультрахолодные атомы позволяют проводить эксперименты с высокой точностью и управляемостью. Ученые из Universität Hamburg объединили эти две области исследований и смогли наблюдать появление ионов в ультрахолодных атомах. Их результаты опубликованы в новом научном журнале «Физика связи».

Более века назад Альберт Эйнштейн опубликовал свою теоретическую работу по фотоэффекту, который принципиально описывает фотоионизацию материи или процесс растворения электронов из атомов с помощью света. Это открытие принесло ему Нобелевскую премию в 1921 году. Однако оказывается, что процесс очень сложен в деталях. До сих пор практически невозможно провести экспериментальные измерения абсолютной вероятности ионизации, например, процент ионизации атомов после облучения светом. Команды ученых под руководством профессора Маркуса Дрешера и профессора Клауса Сенгстока уникально объединили знания в ультрахолодных атомах с явлениями сверхбыстрой физики, которые открыли принципиально новый экспериментальный подход.

Ультракороткие лазерные импульсы могут быть настолько интенсивными, что они отрывают атомы друг от друга. Этот процесс называется ионизацией силового поля, а детали зависят от энергии и цвета лазерного излучения. До сих пор не всегда можно было узнать, какой режим ионизации доминирует. Теперь ученым удалось подробно изучить это, используя ультрахолодные атомы. Поскольку процесс ионизации практически не происходит после ионизационного процесса, то можно точно измерить режимы.

Ученые использовали лазерный свет для охлаждения атомов рубидия до ультрахолодных температур 100 нанокельвинов, только немного выше абсолютной температуры нуля -273,15 ° C. Интенсивный ультракороткий лазерный импульс освещал части облака атомов рубидия за очень короткое время 215 фемтосекунд (фемтосекунда — одна миллионная одной миллиардной части секунды) и ионизировал часть атомов. Оставшуюся атомную плотность отображали на камеру, чтобы можно было точно измерить количество ионизированных атомов.

В частности, ученые заметили, что атомная связь в световом поле изменяется так быстро, что атомная оболочка не может следовать за колебанием светового поля. Во время ионизации атом поглощает одновременно несколько световых частиц (фотонов).

«Представленная работа прокладывает путь к дальнейшим экспериментам с использованием ультракоротких лазерных импульсов для создания ионов и электронов в ультрахолодных атомных образцах», — объясняет автор Филипп Весселс. «Это приводит к точным измерениям сверхбыстрых процессов с использованием ультрахолодных атомов, потому что эти системы можно контролировать очень хорошо экспериментально».

Результаты также могут быть использованы, чтобы помочь реализовать квантовые компьютеры на основе ультрахолодных ионов. Такие компьютеры могут решить определенные проблемы быстрее, чем обычные.

Параллельно с этими экспериментами международное сотрудничество с профессором Николаем Кабачником (МГУ) и профессором Андреем Казанским (Икербаск, Испания) теоретически рассчитало процесс ионизации. Ученые моделировали квантовомеханическое взаимодействие между атомом и лазерным полем со следующим результатом: теоретические предсказания находятся в полном согласии с измеренными данными.