Команда из НИУ ВШЭ, Института спектроскопии РАН и Московского физико-технического института разработала чип на холодных атомах. Холодные атомы используют в сферах, где необходима высокая точность, сейчас исследователи работают над созданием атомных часов, которые могут использовать на космических аппаратах и МКС.
Исследование опубликовано в журнале Optics & Laser Technology. Чипы на холодных атомах — устройства, способные захватывать и удерживать атомы, доведенные до сверхнизких температур. Уже в конце 1970-х ученые Института спектроскопии РАН доказали, что атомарные газы можно эффективно охлаждать лазерным излучением, и провели первый в мире эксперимент. Впоследствии был развит подход использования атомных чипов для создания ансамблей холодных атомов. Однако рабочих атомных чипов в России до последнего времени не было.
Исследовательская группа из Института спектроскопии РАН, НИУ ВШЭ и МФТИ представила новое решение — первый российский чип на холодных атомах. Температура атома связана с его энергией и движением. Чтобы снизить скорость, нужно отнять энергию атома и таким образом его охладить. Это возможно при помощи специальной конфигурации лазерных полей вблизи чипа. Атомы рубидия охладили до температуры порядка 200 мкК, чтобы они не выбрались из магнитных ловушек, создаваемых атомным чипом.
Чип состоит из кремниевой пластинки, на которой сформированы микропровода. При пропускании через провода электрического тока вокруг чипа образуются магнитные поля, которые взаимодействуют друг с другом, из-за чего в определенной точке возникает минимум магнитного поля. Атомам энергетически выгодно находиться в областях минимума, поэтому именно в таких ловушках ученые захватывают атомы и затем работают с ними.
Чтобы провода чипа не взрывались из-за термического перегрева при прохождении электрического тока, ученые использовали провода из серебра и золота толщиной несколько микрометров. Такие условия позволили пропускать ток большей силы, достигающий 10 ампер. «Холодные атомы используют в приложениях, где требуется высокая точность измерений, например для GPS-навигации.
Сейчас мы занимаемся разработкой атомных часов, которые могут быть использованы на спутниках. Принцип их работы основан на том, что генератор частоты должен постоянно поддерживать эталонную частоту, а значение этой частоты связано с атомным переходом рубидия под воздействием микроволнового излучения, — объясняет доцент базовой кафедры квантовой оптики и нанофотоники Института спектроскопии РАН НИУ ВШЭ Антон Афанасьев.
— Спектры возбуждения атомов помогают понять, как взаимодействует электромагнитное излучение с атомами. Чем ниже температура атомов, тем более узкие спектральные линии получаются и тем точнее их можно измерить. В нашем случае — тем точнее будут часы».
Атомные чипы можно использовать не только как источник холодных атомов, но и как сложное самостоятельное устройство. Исследователи предлагают измерять с помощью атомных чипов гравитационные поля.
«Рассматриваются проекты размещения атомных систем на чипе в спутниках. Атомы будут использоваться для детектирования прохождения гравитационных волн через систему разнесенных в пространстве спутников. По картине интерференции можно будет исследовать не только гравитационные волны, но и взаимодействие с темной энергией. Международное сообщество планирует реализовать этот проект в середине 2030-х годов», — поясняет Антон Афанасьев.
