Атомы с двумя валентными электронами остыли до десятков нанокельвинов

Американские физики смогли охладить атом с двумя валентными электронами до десятков нанокельвинов. Для этого они помещали атомы иттербия в одномерную оптическую решетку и применяли к ним комбинированное охлаждение методом боковой полосы. Вместе с уменьшением глубины решетки и гравитационной локализацией атомов с помощью осцилляций Блоха, относительная ошибка в измерении частоты в такой схеме составила 10-19. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Технологии охлаждения и пленения атомов и ионов открыли дорогу к сборке новых фаз материи, в которой физики могут контролировать среднее расстояние и силу взаимодействия между частицами. Это особенно привлекательно для квантовых симуляций, где такие платформы помогают ученым лучше понимать скрытые процессы, протекающих в более привычных средах.

Подходы к работе с атомами и ионами во многом зависят от их электронной структуры, а именно от числа электронов на валентной оболочке атома. От нее же зависят и свойства плененных частиц, поэтому, чтобы разнообразить свой инструментарий, физики пробуют пленять атомы различных элементов периодической таблицы.

Так, атомы с двумя валентными электронами интересны тем, что они обладают возбужденным метастабильным состоянием, переход из которого в основное состояние подавлен необходимостью переворота одного из спинов. Это позволяет добиться секундных времен когерентности. Мы уже рассказывали, как относительная точность определения частоты в стронциевых часах достигла 2,5×10-19 и как физики научились с высокой точностью сравнивать частоты в часах на основе стронция, иттербия и иона алюминия. Дальнейший прогресс в этом направлении, однако, ограничен сложностью охлаждения таких атомов до нанокельвиновых температур из-за высоких потерь, сопровождающих традиционные для этих задач методы.

На борьбу с этой проблемой были направлены усилия Эндрю Ладлоу (Andrew Ludlow) и его коллег из Национального института стандартов и технологий. Они применили сложную схему трехмерного охлаждения для атомов иттербия в одномерной оптической решетке и добились снижения их температуры до десятков нанокельвинов, сохраняя плененными тысячи атомов. Это, в свою очередь, позволило физикам уменьшить глубину оптической решетки, что поможет в будущем сильно увеличить точность атомных часов.

Температура характеризует среднюю кинетическую энергию частиц (в данном случае атомов). Ее принято считать единой характеристикой некоторого объема, наполненного атомным газом. Однако такой взгляд справедлив лишь тогда, когда в системе устоялось термодинамическое равновесие, которое достигается не только через обмен энергией между атомами, но и между степенями свободы одного атома. Если он происходит не сразу, физики уточняют, о какой именно температуре идет речь.

В одномерных оптических решетках, с которыми работали авторы, возникает именно такая ситуация. Движение частиц вдоль оси и вдоль слоев решетки имеет различный характер, а потому описывается соответствующими температурами: продольной и радиальной. Методы охлаждения каждой степени свободы также разнились.

Для своего эксперимента физики использовали пару лазерных лучей на длине волны 759 нанометров для формирования решетки и множество лучей на длине волны 578 и 1388 нанометров для комплексного охлаждения атомов иттербия методом боковой полосы. Длина волны решеточного лазера была подобрана таким образом, чтобы скомпенсировать штарковские сдвиги первого порядка (ее еще называют «магической» длиной волны), а метастабильность одного из использованных в схеме атомных уровней позволила достичь температур ниже, чем соответствующая энергия отдачи.

Комбинируя протокол лазерного охлаждения с постепенным уменьшением глубины решетки, физики зафиксировали минимум радиальной температуры, равный нескольким десяткам нанокельвинов. Глубина при этом уменьшилась от 560 до 6 энергий отдачи, причем до самого минимума дожили тысячи атомов. По мнению авторов, это будет иметь решающее значение для работы атомных часов, поскольку квантовый проекционный шум масштабируется как обратный корень из числа атомов.

Уменьшение глубины, однако, породило новую проблему — межслоевые туннелирования атомов. Для борьбы с ним физики ориентировали решетку так, чтобы ее ось составляла угол в один градус с направлением силы тяжести. Гравитация снимает вырождение между соседними узлами решетки и локализует атомы благодаря эффекту осцилляций Блоха. Благодаря всем ухищрениям, суммарная относительная ошибка в измерении частоты, по оценкам авторов, составила 10-19.

Ранее мы рассказывали, как точность атомных часов увеличивали комбинированием частот и запутыванием.

Марат Хамадеев