Нобелевская премия по физике 1997 года присуждена группе исследователей - Стивену Чу, Уильяму Филипсу (США) и Клоду Коэн-Таннуджи (Франция) за работу по лазерному охлаждению атомов. Им удалось достичь температуры на несколько миллионных долей градуса выше абсолютного нуля.

Нобелевские лауреаты 1997 года: американские физики Стивен Чу, Уильям Филипс и французский исследователь Клод Коэн-Таннуджи.

Работы по лазерному охлаждению: годы и результаты.

В микромире мерой температуры служит кинетическая энергия частицы. Наибольший вклад в энергию дает скорость поступательного движения частицы, значительно меньший - частота ее собственных колебаний. Чем быстрее движется и чаще колеблется частица, тем она "горячее". Даже при температуре 3 кельвина (почти -270^оС) скорость атома составляет около 100 метров в секунду. Чтобы "заморозить" атом, его нужно остановить, вернее, понизить его скорость до сантиметров в секунду. Сделать это можно разными способами, но самым удобным оказался метод лазерного охлаждения.

Пояснить суть этого метода можно на простом примере. Чтобы раскачать маятник, нужно подталкивать его с той же частотой, с которой он качается сам по себе. Эта частота называется собственной или резонансной частотой колебательной системы. А чтобы погасить колебания, следует толкать маятник реже, с частотой, меньшей резонансной. Тогда через какое-то время он начнет качаться с той частотой, которую ему задали.

Нечто подобное, но с поправкой на законы квантовой механики, происходит и с атомом. Если на него воздействовать электромагнитными колебаниями с частотой, равной частоте собственных колебаний атома (она обычно лежит в области видимого света), он будет поглощать энергию и "нагреваться". Но когда атом движется по направлению к источнику света, эта частота должна быть ниже той, которая требуется для "нагрева" неподвижного атома. А излучать он станет фотоны более высокой частоты, начнет терять энергию и "остывать". Это явление называется эффектом Доплера.

В 1985 году У. Филипс начал серию достаточно успешных экспериментов по лазерному охлаждению атомов натрия. Но по мере уменьшения скорости атомов падает доплеровский сдвиг частоты их колебаний и метод становится неэффективным. Известно было, однако, что в магнитном поле резонансная частота атома возрастает, и это явление сумел использовать Филипс. Пропуская пучок атомов сквозь неоднородное магнитное поле, он компенсировал уменьшение эффекта Доплера и "затормозил" пучок. Отдельные его атомы охладились до температуры 50 милликельвин (50^.10^-3 К).

Следующим шагом стали работы С. Чу, который поместил шесть лазеров на стенках кубической камеры и сфокусировал лазерное излучение в ее центре. Теперь излучение замедляло атом при любом направлении его движения. Это вы-глядело так, словно он проходил сквозь очень вязкую жидкость, вроде меда. Так удалось достичь температуры 240 микрокельвин (240^.10^-6 К) и скорости атомов натрия около 30 см/сек. По грубым оценкам, эта величина была теоретическим пределом возможностей доплеровского метода охлаждения. Однако уже в 1988 году группа Филипса каким-то образом сумела "нырнуть" под этот предел, охладив группу атомов натрия до 40 микрокельвин (40^.10^-6 К).

Суть происшедшего объяснил К. Коэн-Таннуджи. Он показал, что в установке Филипса лазерные лучи создали серию стоячих волн поляризованного света, электрические поля которых напоминали своего рода гребенку. Когда атом проходит сквозь нее, всплески электрического поля поочередно "сбрасывают" атом во все более и более низкое энергетическое состояние и все сильнее и сильнее охлаждают его. Атом как бы все время движется в гору, против поля, и теряет энергию. Этот метод получил название "сизифово охлаждение".

Рекордное значение температуры получила группа К. Коэн-Таннуджи в период 1988-1995 годов. Ей удалось охладить атомы гелия до температуры 0,18 микрокельвина (0,18^.10^-6 К), понизив их скорость до 2 см/сек.

При попытке еще больше охладить вещество неожиданно возникла трудность: при определенной температуре фотоны перестают реагировать с атомом, облетая его подобно мячикам в руках фокусника. Но эту сложность, возможно, все-таки удастся преодолеть: под руководством Коэн-Таннуджи создается установка, в которой атомы, ставшие "невидимыми" для фотонов, станут далее охлаждаться другими атомами, которые с фотонами еще взаимодействуют.

Эти работы уже нашли применение во многих областях физики. На основе охлажденных атомов создаются сверхточные эталоны времени. В управляемых атомных пучках можно наблюдать интерференцию частиц, получаемую до сих пор только на электромагнитных волнах, и с ее помощью измерять, например, очень малые изменения силы тяжести (см. "Наука и жизнь" № 10, 1997 г.). И, что еще важнее, лазерное охлаждение позволит получить и исследовать так называемый бозе-эйнштейновский конденсат - принципиально новое состояние вещества (см. "Наука и жизнь" № 5, 1996 г. ).

Проделанная исследователями работа, безусловно, демонстрирует виртуозное владение техникой эксперимента и заслуживает самой высокой оценки. Однако, по мнению многих российских ученых, в нашей стране аналогичные результаты были получены гораздо раньше. В Институте спектроскопии РАН (г. Троицк) по этой тематике уже более десяти лет работает группа под руководством доктора физико-математических наук В. Летохова (см. "Наука и жизнь" № 12, 1977 г.; № 9, 1997 г.). Монография В. Летохова и В. Миногина "Давление лазерного излучения на атомы", в которой изложены основные принципы метода лазерного охлаждения и дана принципиальная схема экспериментальной установки для его осуществления, была опубликована в 1986 году.

№1, 1998