Зачем ученые охлаждают атомы и как они это делают?
Add+
Логин:      

Зачем ученые охлаждают атомы и как они это делают?

АВТОР: Алексей Брума

Ультрахолодная атомная материя как сфера изучения физики. Зачем ученые охлаждают атомы и как они это делают? Как ультрахолодное охлаждение расширяет знание в области элементарных частиц? На эти вопросы отвечает профессор физики Вольфганг Кеттерле.

В атомной физике объектом исследования являются атомы, но вся проблема заключается в том, что в земных условиях атомы взаимодействуют друг с другом на околозвуковых скоростях, что несколько затрудняет их исследование. Значит, атомы надо замедлить, или, иными словами, охладить и чем сильнее, тем лучше. Идеальной температурой была бы равная абсолютному нулю. Это позволило бы практически остановить атомы и провести анализ с беспрецедентной точностью измерений! 

В атомной физике объектом исследования являются атомы, но вся проблема заключается в том, что в земных условиях атомы взаимодействуют друг с другом на околозвуковых скоростях, что несколько затрудняет их исследование. Значит, атомы надо замедлить, или, иными словами, охладить и чем сильнее, тем лучше. Идеальной температурой была бы равная абсолютному нулю. Это позволило бы практически остановить атомы и провести анализ с беспрецедентной точностью измерений.
 
Одной из целей повышения точности атомарных измерений является измерение времени. На сегодняшний день наиболее точными из всех часов являются атомные, принцип работы которых основан на измерении колебаний атома. Именно по этим часам (самые точные из которых накапливают ошибку всего в 1 секунду за сотни миллионов и даже миллиарды лет!) уточняется время по всему миру. Итак, изначально подстегиваемые желанием повысить точность атомных часов и в целом повысить точность атомарных измерений, ученые, охлаждая атомы, стали ловить их в так называемые атомные ловушки, представляющие собой магнитные поля и лазерные лучи. 

Атомные часы FOCS 1 с ошибкой в 1 секунду за 30 млн. лет

Что касается лазерного охлаждение, то ученые начали его осуществлять еще в 80е годы, доводя температуру атомов до мили и микрокельвиновских температур. Это тут же повысило точность атомных часов, однако за этим достижением крылся следующий вопрос: что будет, если охладить атомы до нанокельвиновских температур? При таких температурах воочию раскрывается разница между атомами, являющимися бозонами или фермионами. Фермионы будут образовывать материю, по своим свойствам схожую с электронами в твердых телах. С бозонами же произойдет фазовый переход в Бозе-Энштейновскую конденсацию: по сути сверхтекучий газ, схожий во многом со сверхтекучим жидким гелием. 
Лазерная установка для охлаждения атомов

Это кажется чем-то невероятным, ведь по идее лазер - сфокусированный луч энергии, способный резать даже металлы! Каким же образом энергия лазера может охлаждать атомы, ведь, казалось бы, она, напротив, должна их нагревать? Охлаждение атомов посредством лазера получило широкое применение в конце 80х и трое пионеров в области этих исследований удостоились Нобелевской премии. Когда атомы принимают фотон, они не имеют другого выбора, кроме как испустить его в виде флуоресценции. И если разница энергий между полученными фотонами и излученными будет отрицательной, то атом начнет охлаждаться. Иными словами, цвет поглощенного и излученного атомом света, при правильных манипуляциях, может немного отличаться и в этом отличии кроется потеря атомом энергии (температуры). 

Итак, лазерное охлаждение в 80х позволило достичь микрокельвиновских температур и вплотную приблизило к мечте о Бозе-Энштейновской конденсации, что требовало преодоления порога нанокельвиновских областей! И технологией, решавшей данную проблему, стало охлаждение испарением.

Объяснить принцип охлаждения испарением куда проще, чем лазерное охлаждение, ведь данный процесс происходит в нашей обычной жизни, например когда горячая чашка кофе быстро охлаждается, то это осуществляется по нескольким причинам, одна из которых заключается в том, что наиболее быстрые молекулы воды покидают наше кофе в виде пара. И если наиболее энергичные молекулы покидают вещество, то остаются более медленные, то есть холодные. В этом и есть суть охлаждения испарением. Путем постепенного удаления энергичных молекул ученые научились охлаждать вещество до нанокельвиновских областей! 

В 90х годах, несмотря на серьезные проблемы, удалось объединить два метода: лазерное охлаждение и охлаждение испарением. Это оказалось как нельзя стати, ведь оба эти метода работают в разных условиях. В частности лазерное охлаждение эффективно при низких плотностях вещества, так как иначе лазер абсорбируется веществом, в то же время для охлаждения испарением требуются постоянные столкновения атомов для поддержания системы в равновесии и постоянного продолжения процесса испарения.

Ультрахолодные системы используются учеными для симуляции новых материалов. Ричард Фейнман считал, что одна квантовая система может быть сымитирована другой. Что ж, если у вас есть некая система, которой сложно манипулировать и которую трудно исследовать, то можно ее изучать на примере аналогичной. Таким образом мы хотим исследовать такие материалы и вещества, как высокотемпературные сверхпроводники, магнитные материалы, понять поведение заряженных частиц в высокоэнергетических магнитных полях. На самом деле у нас есть масса форм материи, которые предстоит еще исследовать.