Krakowska pułapka magnetooptyczna |
Przez wiele lat najniższe temperatury (rzędu 1 mK) osiągane były w próbkach ferromagnetyków metodą adiabatycznego przemagnesowania. Podobnie jak to było w wielu innych dziedzinach, także i w zakresie osiągania niskich temperatur, odkrycie laserów i ich rozwój (a zwłaszcza laserów przestrajalnych) otworzyło zupełnie nowe możliwości. Punktem wyjścia była możliwość selektywnego oddziaływania światła laserowego nie tylko z atomami określonego pierwiastka przez dostrojenie go do określonej linii widmowej, ale jeszcze dodatkowo wybranie atomów poruszających się z określonymi prędkościami przez umiejętne wykorzystanie efektu Dopplera. Zaowocowało to, z jednej strony, rewolucją w spektroskopii przez rozwój tzw. metod bezdopplerowskich (nagroda Nobla dla Artura Schawlowa i Nicolaasa Bloembergena w 1981 r. [1]), a z drugiej strony, zrozumieniem mechanicznych efektów oddziaływania światła na atomy i stworzeniem możliwości kontroli ruchu atomów przez wywieranie na nie tzw. sił optycznych. W szczególności dzięki siłom optycznym możliwe stało się ochłodzenie gazu atomowego do rekordowo niskich temperatur rzedu nK.
Badania optycznie ochłodzonych atomów rozwinęły się lawinowo a ich główni pionierzy: Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji i William Phillips zostali w 1997 r. laureatami nagrody Nobla. Niebawem w Postępach Fizyki ukażą się teksty ich wykładów noblowskich z dokładnym opisem zasad chłodzenia i pułapkowania optycznego. Zamiast omawiania podstaw działania pułapek atomowych ograniczymy się tu jedynie do wyjaśnienia różnic pomiędzy pułapkami dla neutralnych atomów a znanymi już wcześniej pułapkami jonowymi, za których opracowanie Wolfgang Paul i Hans Dehmelt otrzymali w 1989 r. nagrodę Nobla [2] (w Polsce pierwszą pułapkę jonową zbudował i stosuje do spektroskopii atomowej zespół prof. Jerzego Dembczyńskiego z Politechniki Poznańskiej).
Różnice te są rzeczywiście ogromne, jako że zupełnie inna jest natura sił elektrostatycznych działających na cząstki naładowane a sił optycznych wykorzystywanych do pułapkowania atomów obojętnych elektrycznie. Po pierwsze, potencjał pułapki jonowej jest na tyle głęboki, że do uwięzienia jonów nie jest konieczne ich ochładzanie. Co więcej, pułapki takie lokalizując jony nie zmieniają w istotny sposób ich początkowych rozkładów temperaturowych, w szczególności nie oziębiają jonów (ściślej biorąc zmienia się jednak charakter ruchu spułapkowanych jonów a więc i ich rozkłady prędkości przez pojawienie się regularnych oscylacji i rotacji). Oczywiście, ponieważ jony także oddziałują rezonansowo z promieniowaniem świetlnym, istnieją metody chłodzenia laserowego, które mogą być (i są!) z powodzeniem stosowane w pułapkach jonowych. Po drugie, w pułapkach jonowych łatwe jest uwięzienie pojedynczych cząstek, a także otrzymywanie kryształów złożonych z kilku zaledwie jonów.
Pułapki atomowe mogą albo wykorzystywać siły magnetyczne, takie pułapki są jednak bardzo płytkie, albo wykorzystywać siły optyczne (ciśnienie światła) znacznie słabsze od elektrostatycznych, pozwalające za to na jednoczesne ochładzanie atomów. Możliwe jest też zbudowanie pułapki w oparciu o siły dipolowe (zależne od gradientu pola elektrycznego), np. takiej, gdzie uwięzienie schłodzonych wcześniej innym sposobem atomów następuje w ognisku silnej wiązki laserowej. W rezultacie pułapki atomowe są głównie stosowane do pracy z gęstymi i zimnymi obłokami gazu.
Wśród narzędzi używanych w eksperymentach z zimnymi atomami znaczące miejsce zajmuje pułapka magnetooptyczna, często określana skrótem MOT od magneto-optical trap. Pułapka taka to trójwymiarowy układ tzw. melasy optycznej, czyli trzy pary przeciwbieżnych wiązek laserowych skierowanych w trzech prostopadłych kierunkach i o częstości światła dobranej poniżej częstości przejścia atomowego tak, aby mogły one ochładzać atomy. Dla osiągnięcia przestrzennego lokalizowania atomów, umieszcza się je dodatkowo w niejednorodnym polu magnetycznym, które powoduje rozszczepienie podpoziomów magnetycznych zależne od położenia, a wiązki laserowe odpowiednio polaryzuje (rys. 1).
Miło nam donieść, że pułapka magnetooptyczna dla atomów rubidu działa
od czerwca 1998 r. w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego. Została
ona zbudowana w naszym zespole w ramach grantu KBN 2P03B113-10.
Ponieważ podczas ochładzania atomów musi zajść bardzo wiele (rzędu 104) cykli absorpcja-emisja, to musimy także zadbać o to, aby w tym czasie nie zachodziło zmniejszanie liczby ochładzanych atomów przez ich przepompowanie do innego, nieabsorbującego stanu. Takie niebezpieczeństwo istnieje dla atomów alkalicznych, gdzie stan podstawowy ma dwa szeroko rozdzielone podstany struktury nadsubtelnej, do których możliwa jest emisja spontaniczna ze stanu wzbudzonego. Konieczne zatem jest stosowanie jeszcze jednego lasera, tzw. repompującego, który atomy przepompowane optycznie do nieabsorbującej składowej nadsubtelnej przywraca do dalszego chłodzenia. Ten laser nie musi być ani bardzo monochromatyczny, ani intensywny, a więc może być zwykłą dioda laserową bez specjalnych sprzężeń ani wzmacniaczy.
Osobnym problemem jest zapewnienie właściwej częstości lasera chłodzącego (dostrojenie do linii D2 rubidu, składowej nadsubtelnej Fg=3(R) Fe=4). W naszym doświadczeniu dostrajamy zgrubnie lasery posługując się spektrografem siatkowym i tzw. l -metrem, pozostaje jeszcze bardzo precyzyjne dopasowanie się do wybranej składowej nadsubtelnej. Dobrze znane są metody stabilizacji częstości laserowej do częstości przejścia atomowego np. w standardowym układzie spektroskopii nasyconej [3], co pozwala na osiągnięcie dokładności nie ograniczonej przez rozszerzenie dopplerowskie. Trudnością, z jaką ma się do czynienia w pułapce optycznej jest to, że wymagana częstość lasera chłodzącego nie jest dokładnie częstością przejścia atomowego, lecz musi być od niego odstrojona o kilka naturalnych szerokości przejścia (np. dla linii D2 rubidu: 3´ 6 MHz). Dla takiej częstości nie występują jednak żadne wyraźne struktury widm atomowych, do których można by dostroić laser w standardowy sposób. Rozwiązanie tej trudności polega na stabilizacji częstości lasera do wyraźnego rezonansu w widmie nasyconym (w naszym przypadku odległego o 92 MHz od częstości właściwego przejścia). Następnie wykorzystujemy modulator akustooptyczny, który przesuwa częstość lasera o zadaną częstość modulacji (74 MHz) i w ten sposób umożliwia osiągnięcie właściwego odstrojenia lasera chłodzącego.
Wiązka wychodząca ze wzmacniacza laserowego oraz wiązka repompująca nakładane są na siebie z dobrą dokładnością, rozszerzane przez układ teleskopowy i następnie dzielone są na trzy wiązki pułapkujące, propagujące w trzech prostopadłych kierunkach. Musimy przy tym zapewnić równowagę mocy w trzech ramionach oraz wytworzyć w każdej z trzech wiązek polaryzację kołową. Po przejściu przez komórkę, wiązki są odbijane dokładnie przeciwbieżnie, a dodatkowa płytka ćwierćfalowa zapewnia odpowiednią zmianę polaryzacji na taką, jaka jest zaznaczona na rys. 1. Schemat całego układu optycznego naszej pułapki przedstawia rys. 2.
Dokładniejszy opis układu laserowego i całej pułapki mamy zamiar wkrótce opublikować w Optica Applicata.
Ten efekt Czytelnicy mogą obserwować za pośrednictwem Internetu odwiedzając stronę http://silly.if.uj.edu.pl/mot. Badając dokładnie zależności czasowe świecenia chmury przy włączaniu i wyłączaniu pułapki, można określić różne parametry pułapki.
Typowa temperatura atomów osiągana w pułapce jest rzędu ułamka mK. Ograniczenie to wynika ze statystycznego charakteru procesu chłodzenia, w którym wprawdzie średnia prędkość atomowa zmierza do zera, ale dyspersja rozkładu prędkości rośnie. Dokładne pomiary temperatury atomów rubidu uwięzionych w naszej pułapce są dopiero przed nami. Z samej zasady działania pułapki magnetooptycznej wynika jednak to, że jeśli widoczna jest chmura spułapkowanych atomów, ich temperatura jest nie większa niż tzw. temperatura dopplerowska rzędu 100 ? K.
Zasada działania pułapki magnetooptycznej jest stosunkowo prosta, jej koszt (szacujemy całkowity koszt na ok. 150 000 zł) niższy niż wielu zaawansowanych urządzeń współczesnej fizyki, a jednak jej zbudowanie wcale nie było banalnym przedsięwzięciem. Można więc zapytać dlaczego nie pojawiła się ona w Polsce wcześniej. Postaramy się zatem wymienić główne trudności, jakie wydają się nam najistotniejsze. I tak, konieczne są dwa, a w praktyce trzy lub cztery lasery (jeśli chce się mieć jeszcze niezależną wiązkę światła do detekcji). Wprawdzie diody laserowe są niedrogie, ale muszą one współpracować ze stabilnymi zasilaczami i być utrzymywane w temperaturze ustalonej z dokładnością rzędu 0.01 K. Ponadto budowa (stabilnego ale przestrajalnego) zewnętrznego rezonatora wymaga nie byle jakich umiejętności z zakresu technik laserowych. Stabilizacja częstości lasera do linii atomowej wymaga z kolei znacznej biegłości w zakresie laserowej spektroskopii wysokiej zdolności rozdzielczej i stworzenia układu elektronicznego o bardzo niskich szumach. Zastosowanie modulatorów akusto-optycznych do precyzyjnego ustalenia częstości lasera pociąga za sobą konieczność opanowania techniki częstości radiowych (ok. 100 MHz) i to przy mocach do 1 W. Dalej, do stworzenia pułapki konieczne jest nałożenie wiązek z tych laserów, a następnie rozdzielenie na sześć wiązek laserowych o bardzo dokładnie określonych parametrach natężenia, polaryzacji, profilu przestrzennego. Zmusza to do użycia ogromnej liczby elementów optycznych (patrz schemat aparatury: rys. 2.) i to koniecznie wysokiej jakości. Do tego trzeba jeszcze dodać aparaturę próżniową ultra-wysokiej próżni i komputerowe sterowanie niektórymi parametrami eksperymentu.
W sumie więc o sukcesie przedsięwzięcia decydowały nie tyle brak ograniczeń finansowych, bo te oczywiście istnieją i są znaczące, ale w większym stopniu umiejętności i zgromadzone doświadczenie z bardzo wielu dziedzin fizyki i spektroskopii laserowej. W Zakładzie Optyki Atomowej IF UJ od dłuższego czasu systematycznie zajmowano się siłami optycznymi i w ramach współpracy z różnymi ośrodkami zagranicznymi pracowano z pułapkami atomowymi. Zdobyte w ten sposób doświadczenie doprowadziło do uruchomienia pierwszej w Polsce pułapki magnetooptycznej.
Nasze plany pracy z zimnymi, spułapkowanymi atomami przewidują ? po określeniu ich podstawowych własności, a zwłaszcza temperatury ? badanie efektów nieliniowych i kolektywnych. Chcielibyśmy, między innymi, wykorzystać fakt, że w pułapce zimne atomy mają bardzo niewielkie prędkości i w związku z tym zaniedbywalne dopplerowskie rozszerzenie linii spektralnych i prawie się nie zderzają. W takich warunkach powinny być widoczne bardzo subtelne efekty oddziaływania spułapkowanych atomów ze światłem, a także kolektywnego oddziaływania pomiędzy atomami. Chcemy także zbadać, czy możliwe jest osiągnięcie w pułapce większej gęstości niż to wynika z opisanego wcześniej ograniczenia, poprzez odpowiednie modyfikowanie profilu absorpcji i emisji dla atomów, chcemy wreszcie badać kolektywne zachowanie chmury atomowej związane z periodycznymi modulacjami potencjału pułapki.