Александр Васильевич Суворов говорил, что побеждать надо не числом, а умением. Японские и американские исследователи научились изменять скорость светового импульса, используя всего несколько атомов...

В последние годы ученые смогли экспериментально продемонстрировать уменьшение групповой скорости световых импульсов в десятки миллионов раз и даже "остановку света" - полное обратимое преобразование электромагнитных возбуждений в коллективные спиновые возбуждения атомов (подробности смотри в заметке об "остановке света" ). С другой стороны, ученые зафиксировали также "сверхсветовые" скорости оптических импульсов. Благодаря тому, что сообщения об "играх" с групповой скоростью световых импульсов (далеко не всегда квалифицированные) получили широкую известность, многие не слишком сведующие люди решили, что теория относительности опровергнута. Некоторые "особо просвещенные" журналисты стали говорить даже о возможности создания машины времен...

При разительном внешнем различии - быстрее/медленнее - речь на самом деле идет об эффектах-близнецах, связанных с распространением света в среде с аномальной дисперсией. Вблизи резонанса между энергией фотона и энергией перехода между, например, двумя энергетическими уровнями атома, групповая скорость оптического импульса v_g резко меняется с частотой: v_g = c/(n(w ) + w  d n(w )  /dw ). Как можно видеть (см. также график на рис.1), с одной стороны от резонанса она резко падает, а, с другой стороны от резонанса, может быть очень большой (v_g > c - в этом случае и говорят о "сверхсветовых" скоростях) и даже отрицательной (это означает, что световой импульс покидает среду раньше, чем в нее входит). В последнем случае и говорят о "сверхсветовых" скоростях. Стоит подчеркнуть, что на самом деле речь не идет о распространении светового сигнала со скоростью, превышающей скорость света (именно это запрещено теорией относительности): когда говорят о сверхсветовых скоростях, имеют в виду групповую скорость - скорость перемещения огибающей волнового пакета. Истинной же скоростью распространения сигнала является скорость движения переднего фронта светового импульса, так называемого предвестника, а эта скорость никогда не превышает скорости света в вакууме (подробности смотри в новости поосторожнее со сверхсветовыми скоростями ).

Все эти интересные резонансные эффекты наблюдались в газовых средах, где в экспериментальном объеме содержится от миллионов до многих триллионов атомов. Однако в принципе ничто не запрещает наблюдать подобные эффекты и для случая, когда роль "среды" играет всего несколько атомов, и даже отдельный атом. Эту возможность и решили реализовать ученые из Токийского университета и американского Национального института стандартов и технологий.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки; на графике частота w1 соответствует режиму малых групповых скоростей, частота w2 - режиму сверхсветовых скоростей.

"Одна снежинка - еще не снег...", пелось в старой песне, точно то же можно сказать и об отдельных атомах: присутствие нескольких атомов вызывает очень слабое изменения "показателя преломления" (эти слова приведены в кавычках, так как показатель преломления среды - макроскопическая величина) и, поэтому, очень трудно оценить их влияние на скорость светового импульса при обычных условиях. Для постановки эксперимента необходимы специальные условия - атомы должны находится в резонаторе, что позволяет существенно модифицировать их взаимодействие с электромагнитным полем (см., например, недавнюю новость ).

Схема экспериментальной установки показана на рис.1. Охлажденные атомы ⁸⁵Rb находились в магнито-оптической ловушке, над которой был расположен оптический микрорезонатор (два вогнутых зеркала, расположенных на расстоянии 70 мкм одно от другого). После выключения части лазеров, излучение которых формирует магнито- оптическую ловушку, атомы могли подниматься вверх и попадать в резонатор. Поскольку атомы в ловушке имеют малые скорости, а резонатор расположен выше ловушки, только очень малое число атомов в состоянии подняться в резонатор. Попадание атомов в резонатор фиксировалось по изменению коэффициента пропускания резонатора, среднее число атомов в резонаторе в описываемых экспериментах не превышало десяти штук.

После того, как атомы "занимали места согласно штатному расписанию", через резонатор пропускался тестовый импульс, частота излучения которого была немного отстроена от резонансной частоты; выходящий импульс регистрировался с помощью высокочувствительного детектора. Было показано, что в зависимости от частоты тестового импульса, наблюдается либо задержка (на 440 нс в данных экспериментах), либо опережение (на 170 нс в данных экспериментах) времени прихода импульса по сравнению с тем, что следовало бы ожидать для импульса, распространяющегося со скоростью света. Таким образом, впервые было продемонстрировано изменение скорости распространения светового импульса при помощи всего нескольких атомов.

Эксперименты с атомами в микрорезонаторах - активно развивающаяся область экспериментальной физики. На основе оптических резонаторов с высокой добротностью научились даже создавать "умные ловушки" ) для отдельных атомов, позволяющие отслеживать движение атома и подстраиваться под него так, чтобы как можно дольше удержать атом "взаперти". Поэтому задача управления скоростью светового импульса с помощью одного атома, которую ставят сейчас перед собой японские и американские ученые, может быть решена уже в ближайшее время. И один в поле может быть воином...

1. Yukiko Shimizu, Noritsugu Shiokawa, Noriaki Yamamoto et al. Phys.Rev.Lett., v.89, 233001 (2002).

Е.Онищенко.