Сингапурские физики продемонстрировали работоспособность нового компактного источника атомов для создания холодных газов, основанного на лазерной абляции металлических гранул, без привлечения дополнительных замедлителей. Им удалось захватить 3,5 миллиона атомов стронция с временем жизни в ловушке, равным четырем секундам.

Исследование опубликовано в Scientific Reports.

Холодные атомные газы играют важнейшую роль в современной физике. С их помощью изучают необычные формы материи, новые квантовые явления и создают сверхточные атомные часы. Для этого атомные облака нужно охлаждать и локализовывать в пространстве, в чем физикам помогают разнообразные оптические и магнитные ловушки.

Однако сначала свободные атомы нужно как-то создать. Обычно для этого используются отдельные печи-атомизаторы, на выходе из которых горячие атомы обладают большой скоростью. Ученые останавливают их различными методами, например, зеемановскими замедлителями, а также дополнительно коллимируют, прежде чем загрузить ими ловушки. Все это позволяет достичь большой эффективности загрузки и времени жизни атомов. Тем не менее такие лабораторные системы оказываются достаточно громоздкими и требующими регулярного ухода, в то время как для некоторых практических приложений, например, атомных часов, желательна мобильность и отказоустойчивость.

Альтернативным подходом к атомизации стала лазерная абляция твердых объектов. Недавно физикам удалось произвести облака холодных стронция и иттербия за счет фотохимической диссоциации их оксидов с поверхности твердых гранул. Этот метод потребовал лишь милливаттных лазерных мощностей, однако образование побочного газообразного кислорода негативно сказалось на времени жизни атомов в ловушках.

Чтобы обойти эту проблему сингапурские физики под руководством Дэвида Вилковски (David Wilkowski) из Наньянского технологического университета предложили производить лазерную абляцию с металлическими гранулами в той же камере, в которой формируется магнито-оптическая ловушка. Им удалось захватить таким образом 3,5 миллиона атомов и удерживать их в течение четырех секунд.

Установка физиков представляла собой вакуумную камеру из боросиликатного стекла размерами 30×30×100 сантиметров. Стронциевые гранулы сантиметрового размера располагались с одного конца камеры. Физики фокусировали на них излучение от лазера с длиной волны 1064 нанометра и с максимальной мощностью 38 ватт в пятно диаметром четыре микрометра.

Через шесть сантиметров от гранул авторы формировали ловушку с помощью шести лазерных лучей и 32 постоянных магнитов из сплава неодима, железа и бора, расположенных в восьми вершинах куба. Такая схема открывала широкий оптический доступ к атомам. Цифровая камера улавливала сигнал флуоресценции атомов с частотой 50 кадров в секунду, что позволило ученым следить за эволюцией количества атомов в ловушке и вне ее.

Схема эксперимента / C. C. Hsu et al. / Scientific Reports, 2022

Физики проверили идею для двух режимов работы лазера. В первом из них они выставили длительность лазерного импульса на минимум, равный 25 миллисекундам, вместе с максимальной мощностью. При таких условиях происходила загрузка 1,9×10⁴ атомов в ловушку за 40 миллисекунд, где они хранились 4,7 секунды.

Во второй серии экспериментов физики увеличили длительность воздействия до нескольких секунд с уменьшенной вдвое мощностью. Они обнаружили, что максимальное количество атомов в ловушке — 3,5×10⁶ — достигается при трехсекундном облучении, причем не сразу, а через секунду после выключения лазера. Этот эффект ученые объяснили тем, что сама частица здесь выступает в качестве теплового резервуара, который поддерживает испарение даже в отсутствии излучения. Пленение же, как и в предыдущем опыте, длилось чуть больше четырех секунд.

Авторы отмечают, что достигнутых показателей достаточно для экспериментов по квантовым вычислениям на ридберговских атомах, а также для создания оптических часов. При этом созданная установка обладает одновременной простотой и универсальностью. В частности, поскольку длина волны при абляции не имеет значения, для этого можно использовать тот же лазер, что формирует ловушку. Кроме того, метод годится для любых металлических гранул. Это позволит в будущем создать компактную мобильную установку для экспериментов вне лаборатории.