В обычном лазере световые волны образуют так называемое когерентное состояние: когда эти волны выходят из лазера, все они колеблются одинаково, с одинаковой частотой и одинаковой фазой. Квантовая механика говорит нам, что частицы, из которых мы состоим, кварки, электроны и даже целые атомы, также обладают волнообразными свойствами. Но можно ли привести атомы в когерентное состояние?
Или можно построить лазер, где вместо света мы светим атомами?Теоретический ответ на этот вопрос «да» — это факт, который может легко доказать любой студент-физик. Фактически, наличие такого устройства было бы чрезвычайно полезным: коллективные колебания атомов можно было бы использовать, например, для измерения сверхточных атомных часов.
Однако превратить теорию в реально работающее устройство не так просто, как кажется. До сих пор атомные лазеры создавались путем извлечения пучка атомов из так называемого конденсата Бозе-Эйнштейна, газового облака при очень низкой температуре, в котором все атомы находятся в одном и том же квантово-волновом состоянии. Однако приведение атомов в одно и то же состояние решает только часть проблемы.
Для большинства применений атомного лазера они должны работать непрерывно. Поэтому настоящая проблема состоит в том, чтобы достаточно быстро привести атомы в одно и то же волновое состояние, чтобы атомный лазер имел доступ к непрерывному источнику этих когерентных частиц.
Создание конденсата Бозе-Эйнштейна обычно включает охлаждение газа в несколько этапов в течение десятков секунд. Однако лазерный луч на выведенных атомах длится только до тех пор, пока атомы остаются в конденсате, обычно гораздо более короткое время, составляющее лишь доли секунды. После этой доли секунды должна быть произведена новая подача, что снова занимает десятки секунд — и так далее.
Шрек и его команда, постдок Бенджамин Паскиу и аспиранты Шейн Беннеттс и Чун-Чиа Чен, теперь предлагают добиться непрерывного снабжения, разделяя различные стадии охлаждения в пространстве, а не во времени. Каждый этап происходит в разных местах: атомы охлаждаются обычными лазерами, пока они находятся на пути к месту, где будет создан последний лазерный луч атома. Команде удается сделать это, умело используя особые свойства стронция, элемента с правильной электронной структурой, который нужно медленно, шаг за шагом, охлаждать, пока он «находится в движении».
Используя свои методы, Шрек и его сотрудники теперь преуспели в реализации первых этапов непрерывного охлаждения, что привело к постоянному существованию газового облака, которое намного холоднее и плотнее, чем в любой предыдущей попытке. Далее они показали, что их схема обеспечивает достаточно холодных атомов, чтобы быть совместимой с созданием непрерывно существующего конденсата Бозе-Эйнштейна. Последним шагом, конечно же, является создание атомного лазера с использованием этого постоянного конденсата — шаг, который, по словам Шрека, должен произойти в течение следующего года.
Это осуществит его мечту: создать атомный лазер, который никогда не должен останавливаться для перезарядки.