Атомные Бозе-конденсаты - один из самых хрупких и капризных объектов, созданных человеком, и обращение с ними сродни "подковыванию блохи". Недавно американские ученые реализовали элегантный способ разделения Бозе-конденсата на части с помощью всего одного лазера.

Рис.1. a - схема оптической ловушки, позволяющей производить разделение конденсата (на вставке - изображение разделенного на две части конденсата); b и c - конденсат в потенциальной яме после загрузки и после разделения, соответственно.

Атомный Бозе-конденсат - это уникальный макроскопический объект, демонстрирующий квантовые свойства. При очень низких температурах (порядка 1 мкК и ниже), при которых происходит Бозе-конденсация, дебройлевские длины волн атомов становятся сопоставимы с межатомными расстояниями и атомы в конденсате уже нельзя рассматривать как обособленные частицы - они представляют собой единый объект, подчиняющийся законам квантовой механики. Если каким-то образом аккуратно разделить охлажденное до сверхнизких температур атомное облако (Бозе-конденсат) на две части, а потом "свести" их, то можно наблюдать интерференцию двух "материальных волн" - как следствие начальной фазовой когерентности, свойственной Бозе-конденсату. Естественно, наблюдать интерференцию можно лишь в том случае, если фазовая когерентность не окажется нарушенной в процессе разделения Бозе-конденсата. Подобные эксперименты были проведены еще несколько лет назад с использованием магнитных ловушек, однако они имели один недостаток - различие фаз двух конденсатов варьировалось от эксперименту к эксперименту при вроде бы идентичных условиях. Таким образом, хотя опыты и показывали наличие фазовой когерентности, но использовать подобную методику расщепления конденсата для приложений, требующих хорошей воспроизводимости результата, было не очень удобно. А приложения такие существуют - это, естественно, прежде всего атомная интерферометрия. С ее помощью можно исследовать свойства атомов и молекул, проводить измерения фундаментальных констант и т.д. В некоторых отношениях атомные интерферометры должны быть существенно более чувствительны, чем оптические.

В экспериментах ученых из Массачусетского технологического института (в группе Нобелевского лауреата В.Кеттерле) была реализована схема разделения Бозе-конденсата на две части, позволяющая получать хорошую воспроизводимость результата [1]. Первоначально в магнитной ловушке получался Бозе-конденсат, содержащий 10⁷ атомов ²³Na. Затем с помощью лазерного "пинцета" (хорошо сфокусированного луча лазера с длиной волны 1064 нм) атомы захватывались и переносились во вспомогательную камеру. В этой камере конденсат перегружался в другую дипольную оптическую ловушку. Особенность этой ловушки состояла в том, что она образовывалась не одним, а двумя лазерными лучами. Лазерный луч проходил через акустооптический модулятор (рис.1a), на который подавалось два управляющих сигнала различной частоты (f₁ и f₂), и два дифрагированных луча фокусировались с помощью линзы (диаметр перетяжки луча - 5 мкм), образуя ловушку (потенциальную яму) для атомов (рис.1b).

После "устаканивания" конденсата в ловушке оставалось порядка 10⁵ и исследователи начинали изменять разность частот f₁ и f₂, в результате чего дифрагированные лучи "отодвигались" друг от друга, одна потенциальная яма расщеплялась на две (расстояние между минимумами потенциальных ям (d на рис.1) достигало 13 мкм) и конденсат разделялся на две части (рис.1c). Поскольку оба луча, формирующих ловушки, происходят из общего источника, то флуктуации лазерного излучения не должны приводить к неконтролируемому изменению относительной фазы конденсатов. Разделенные конденсаты высвобождались из ловушек через определенное время (несколько миллисекунд) после разделения, и ученые наблюдали интерференцию материальных волн (расширяющихся атомных облаков - рис.2); на основании наблюдаемой интерференционной картины можно было вычислить различие фаз конденсатов.

Рис.2. a - интерференция материальных волн (изображение получено с помощью резонансного поглощения света атомами); b - интегральная оптическая плотность атомного облака, полученная на основании обработки данных по поглощению (в области между двумя штрихами).

Эксперименты показали, что такой способ разделения Бозе-конденсата на части не разрушает фазовой когерентности, и имеет место хорошая воспроизводимость ("набежавшее" различие фаз конденсатов зависит только от времени, прошедшего с момента окончания разделения конденсата), что делает такой способ деления конденсата очень удобным для использования в атомной интерферометрии. Дополнительными преимуществами является очень слабое взаимодействие между конденсатами при значительном пространственном разнесении, что позволяет независимо воздействовать на каждый конденсат. При необходимости можно усложнить схему, дополнив конструкциями из металлических проводов (по которым течет ток), образующих волноводы для материальных волн (см. нашу новость про накопительное колечко ).

1. Y.Shi, M.Saba, T.A.Pasquini et al. Phys.Rev.Lett., v.92, 050405 (2004).

Е.Онищенко