Введение
Распространяющаяся атомная волна
Атомный лазер – это когерентное состояние распространяющихся атомов. Он создается из конденсата Бозе-Эйнштейна, из которого атомы выводятся с помощью различных методов. Подобно оптическому лазеру, атомный лазер представляет собой когерентный пучок, который ведет себя как волна. Существуют споры относительно уместности термина "атомный лазер". Действительно, аббревиатура "лазер" расшифровывается как усиление света посредством вынужденного излучения, что не имеет прямого отношения к физическому устройству, называемому атомным лазером, и, возможно, точнее описывает сам конденсат Бозе-Эйнштейна (BEC). В настоящее время в научном сообществе принято различать BEC, обычно получаемый методом испарения в удерживающей ловушке, и атомный лазер как таковой – распространяющуюся атомную волну, полученную путем извлечения из предварительно созданного BEC. Некоторые текущие экспериментальные исследования направлены на получение атомного лазера непосредственно из "горячего" пучка атомов, без предварительного создания захваченного BEC.
Введение
Первый импульсный атомный лазер был продемонстрирован в MIT профессором Вольфгангом Кеттерле и др. в ноябре 1996 года. Кеттерле использовал изотоп натрия и применил осциллирующее магнитное поле в качестве метода вывода пучка, позволяя гравитации отделять небольшие порции вещества, наподобие капель из крана (см. видео в разделе «Внешние ссылки»). С момента создания первого атомного лазера наблюдается всплеск интереса к созданию атомных лазеров, разработке различных методов вывода пучка и проведению исследований в этой области. Текущая стадия развития атомного лазера аналогична стадии развития оптического лазера в период его открытия в 1960-х годах. В связи с этим, оборудование и технологии находятся на самых ранних этапах разработки и остаются преимущественно в сфере исследовательских лабораторий. Самый мощный атомный лазер на сегодняшний день был продемонстрирован в IESL FORTH, на Крите, в Греции.
Физика
Физика атомного лазера аналогична физике оптического лазера. Основные различия между оптическим и атомным лазером заключаются в том, что атомы взаимодействуют друг с другом, не могут быть созданы из ничего, как фотоны, и обладают массой, в то время как фотоны не обладают ею (атомы, следовательно, распространяются со скоростью, меньшей скорости света). Взаимодействие атомов с поверхностями посредством сил Ван-дер-Ваальса затрудняет создание атомных зеркал, типичных для обычных лазеров. Впервые псевдонепрерывный атомный лазер был продемонстрирован Теодором Ханшем, Иммануэлем Блохом и Тильманом Эсслингером в Институте квантовой оптики имени Макса Планка в Мюнхене. Им удалось получить хорошо контролируемый непрерывный пучок длительностью до 100 мс, в то время как их предшественник генерировал лишь короткие импульсы атомов. Однако это не является полноценным непрерывным атомным лазером, поскольку время восстановления истощенного бозе-эйнштейновского конденсата примерно в 100 раз превышает длительность самой эмиссии (то есть рабочий цикл составляет 1/100). Последние достижения в этой области демонстрируют прогресс в создании непрерывного атомного лазера, в частности, в создании непрерывного бозе-эйнштейновского конденсата.
Приложения
Атомные лазеры критически важны для атомной голографии. Подобно традиционной голографии, атомная голография использует дифракцию атомов. Длина волны де Бройля атомов значительно меньше длины волны света, поэтому атомные лазеры позволяют создавать голографические изображения с гораздо более высоким разрешением. Атомная голография может быть использована для проецирования сложных схем интегральных микросхем, масштабом всего в несколько нанометров, на полупроводники. Другое применение, которое также может выиграть от использования атомных лазеров, – атомная интерферометрия. В атомном интерферометре атомный волновой пакет когерентно разделяется на два волновых пакета, которые проходят разными путями перед рекомбинацией. Атомные интерферометры, которые могут быть более чувствительными, чем оптические интерферометры, могут быть использованы для проверки квантовой теории и обладают такой высокой точностью, что способны даже обнаруживать изменения в пространстве-времени. Это обусловлено тем, что длина волны де Бройля атомов значительно меньше длины волны света, атомы обладают массой, а также возможностью использования их внутренней структуры.