Физики заявили, что создали атомный лазер, который может работать "вечно"

Новый прорыв позволил физикам создать пучок атомов, который ведет себя так же, как лазер, и теоретически может оставаться включенным "вечно".

Это, наконец, может означать, что технология находится на пути к практическому применению, хотя все еще существуют значительные ограничения.

Тем не менее, это огромный шаг вперед для так называемого "атомного лазера" - луча, состоящего из атомов, идущих как одна волна, который однажды может быть использован для тестирования фундаментальных физических констант и в инженерных точных технологиях.

Атомные лазеры существуют уже не первый год. Первый атомарный лазер был создан группой физиков Массачусетского технологического института в 1996 году. Концепция звучит довольно просто: как традиционный лазер на основе света состоит из фотонов, движущихся синхронно со своими волнами, так и лазер из атомов должен был бы выровнять их волнообразную природу, прежде чем перетасовать их в луч.

Однако, как и многое в науке, концептуализировать легче, чем реализовать. В основе атомарного лазера лежит состояние материи, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна, или BEC.

BEC создается путем охлаждения облака бозонов до температуры лишь на долю выше абсолютного нуля. При таких низких температурах атомы опускаются до своего минимально возможного энергетического состояния без полной остановки.

Когда они достигают этих низких энергий, квантовые свойства частиц больше не могут мешать друг другу; они движутся достаточно близко друг к другу и как бы накладываются друг на друга, в результате чего образуется облако атомов высокой плотности, которое ведет себя как один "супер-атом" или волна материи.

Однако BEC представляют собой нечто вроде парадокса. Они очень хрупкие; даже свет может разрушить BEC. Учитывая, что атомы в BEC охлаждаются с помощью оптических лазеров, это обычно означает, что существование BEC мимолетно.

Атомные лазеры, которых ученым удалось достичь до сих пор, были импульсными, а не непрерывными, и предполагают отстрел только одного импульса перед тем, как нужно сгенерировать новый BEC.

Чтобы создать непрерывный BEC, группа исследователей из Амстердамского университета в Нидерландах поняла, что нужно что-то изменить.

"В предыдущих экспериментах постепенное охлаждение атомов происходило в одном месте. В нашей установке мы решили распределить этапы охлаждения не во времени, а в пространстве: мы заставляем атомы двигаться, пока они проходят последовательные этапы охлаждения", - объясняет физик Флориан Шрек.

"В конце концов, ультрахолодные атомы попадают в центр эксперимента, где они могут быть использованы для формирования когерентных волн материи в BEC. Но пока эти атомы используются, новые атомы уже на подходе, чтобы пополнить BEC. Таким образом, мы можем поддерживать процесс - по сути, вечно".

Это "сердце эксперимента" - ловушка, которая защищает BEC от света, резервуар, который может постоянно пополняться до тех пор, пока длится эксперимент.

Однако защита BEC от света, производимого охлаждающим лазером, хотя и проста в теории, на практике оказалась несколько сложнее. Были не только технические, но и бюрократические и административные препятствия.

"Переехав в Амстердам в 2013 году, мы начали с прыжка веры, заемных средств, пустой комнаты и команды, полностью финансируемой за счет личных грантов", - говорит физик Чун-Чиа Чен, возглавлявший исследование.

"Шесть лет спустя, в ранние часы рождественского утра 2019 года, эксперимент наконец-то был на грани работы. У нас была идея добавить дополнительный лазерный луч, чтобы решить последнюю техническую трудность, и мгновенно каждое изображение, которое мы сделали, показало BEC, первый непрерывно-волновой BEC".

Теперь, когда реализована первая часть непрерывного атомарного лазера - часть "непрерывного атома" - следующим шагом, по словам команды, будет работа над поддержанием стабильного пучка атомов. Они могут достичь этого, переводя атомы в незахваченное состояние, тем самым извлекая распространяющуюся волну материи.

Поскольку они использовали атомы стронция, популярный выбор для BEC, эта перспектива открывает захватывающие возможности, говорят они. Атомная интерферометрия с использованием стронциевых BEC, например, может быть использована для проведения исследований в области относительности и квантовой механики или для обнаружения гравитационных волн.

"Наш эксперимент является волновым аналогом оптического лазера непрерывных волн с полностью отражающими зеркалами", - пишут исследователи в своей статье. 

"Эта демонстрация принципа доказательности предоставляет новый, до сих пор отсутствующий фрагмент атомной оптики, позволяющий создавать непрерывные когерентные устройства для работы с волнами материи".

Исследование было опубликовано в журнале Nature.