Физики научились охлаждать водород «причесыванием»

Физики научились охлаждать водород «причесыванием»

Физики из Университета Калифорнии разработали новый метод лазерного охлаждения атомов, который позволит снизить температуру частиц до десятитысячных долей кельвина. Этот метод впервые позволит ученым работать с холодными атомами водорода, углерода, азота и кислорода, охлаждение которых невозможно традиционными методами из-за отсутствия ультрафиолетовых лазеров с необходимыми характеристиками. В его основе лежат оптические гребенки — лазерное излучение, спектр которого состоит из множества узких полос. Авторы надеются, что новая методика позволит моделировать астрофизические процессы и искать отличия в свойствах водорода и антиводорода. Исследование опубликовано в журнале Physical Review X, кратко о нем сообщает Physics.

Захваченные в ловушку холодные атомы — удобный модельный объект, на котором физики изучают различные явления в твердых телах, такие как сверхпроводимость или конденсация Бозе — Эйнштейна. Главное их преимущество — отсутствие тепловых колебаний, которые «размывают» сигнал в реальных системах. Ключевым в создании таких систем является процесс охлаждения атомов до температур вблизи абсолютного нуля. Существующие методики используют, как правило, доплеровское лазерное охлаждение.

Суть доплеровского охлаждения состоит в следующем. Облако предварительно охлажденного газа помещают в камеру на перекрестье лучей лазеров. Каждый фотон используемых лазеров несет в себе энергию немного меньшую, чем та, которая требуется атому газа для перехода в возбужденное состояние. Из-за этого при поглощении кванта света атом тратит часть своей кинетической энергии на переход в возбужденное состояние и уменьшает свою скорость. Спустя короткий промежуток времени атом испускает фотон обратно, переходя в невозбужденное состояние. Этот цикл повторяется многократно, в результате чего температура атомов газа в облаке опускается до миллионных долей кельвина. Кроме того, за счет интерференции в системе возникает магнитооптическая ловушка, которая заставляет атомы формировать периодические структуры. 

Однако такой способ охлаждения удобен не для всех атомов. Традиционно физики используют его для щелочных и щелочноземельных элементов (например, K, Rb, Cs, Ba, Sr), также им можно охлаждать некоторые переходные и непереходные металлы. Но, к примеру, охлаждение водорода, углерода или кислорода требует лазеров с жестким ультрафиолетовым излучением — подобные устройства с непрерывным излучением и узкими спектральными диапазонами недоступны. Вместе с тем, существуют такие лазеры, работающие в импульсном диапазоне. Правда, подобные устройства почти не используются для охлаждения атомов — это связано с их спектральными характеристиками. Спектр таких лазеров состоит из набора тонких линий, расположенных на равных расстояниях друг от друга — ширина этого набора линий превышает ширину спектральных линий непрерывных лазеров, используемых для охлаждения. 

В новой работе авторы воспользовались массивом спектральных линий — оптической гребенкой — как преимуществом импульсного лазера. Когда атомы поглощали фотон, относящийся к определенному «зубчику» гребенки, они переходили на виртуальный уровень возбуждения. Для перехода в первое возбужденное состояние атом должен был поглотить фотон из другого «зубчика». Такой двухступенчатый процесс заменял традиционное поглощение одного фотона в доплеровском охлаждении. Ученые отмечают, что в предыдущих попытках другие группы физиков использовали для охлаждения лишь несколько зубчиков из всей системы, а в их новом эксперименте используется вся гребенка.

Работоспособность методики авторы проверили на традиционном для подобных экспериментов рубидии. Ученые охлаждали облако атомов с помощью коротких импульсов оптических гребенок продолжительностью 2-5 пикосекунд. В результате удалось достигнуть температуры атомов в 57 микрокельвинов. По словам физиков, недостатком метода является небольшая скорость поглощения фотонов (а значит и охлаждения) — в 1000 раз меньше, чем в традиционных методах. Это означает, что для эффективного охлаждения атомов потребуется отдельная стадия предохлаждения, методику которой еще предстоит отработать. 

Авторы предполагают, что с помощью новой методики удастся создать магнитооптическую ловушку для антиводорода — вещества, атомы которого состоят из позитрона и антипротона. Согласно современным представлениям, антиводород должен обладать точно такими же энергиями электронных переходов, как и водород. Измеряя спектры атомов антиводорода, захваченных в ловушку, физики смогут экспериментально проверить CPT-симметрию, одно из фундаментальных свойств квантовой теории поля.

Ранее мы сообщали о необычных явлениях, наблюдаемых при охлаждении атомов другим способом — взаимодействием с нейтральным холодным газом. Оказалось, что при попытке охладить захваченные в оптическую ловушку атомы последние могут сохранять высокую температуру (до 10 кельвинов) даже при субкельвиновой температуре охлаждающего газа.

Владимир Королёв

N+1

Похожие новости:
Наночастицы научились обманывать иммунную систему
Исследователи из университета Пенсильвании научились защищать предназначенные для доставки лекарств наночастицы от действия макрофагов, снабдив их соответствующим пептидом из системы распознавания «свой»-«чужой». Работа опубликована в журнале Science, а ее краткое содержание приводит ScienceNow. Для защиты наночастиц ученые использовали последовательность белка CD47, который содержится ..
2013-02-22 1721 0 Технология
0
В США научились выращивать репродуктивные органы
Американские ученые из Института регенеративной медицины научились выращивать искусственные пенисы. Они долгое время проводили опыты над кроликами, а теперь готовы поэкспериментировать с людьми, которые пережили операции, получили травму или родились с физическими недостатками, передает The Guardian. Ученые планируют провести ..
2014-10-06 2493 0 Технология
2
Японцы научились выбраковывать дефектные стволовые клетки
Ученые из Центра прикладных исследований индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPS-клеток) Киотского университета (Kyoto University, Япония) под руководством нобелевского лауреата, профессора Синъи Яманаки (Shinya Yamanaka), нашла способ выбраковки дефектных стволовых клеток, из которых развивается раковая опухоль. Как сообщает ..
2013-11-19 1786 0 Технология
0
Ученые научились вживлять топливо в живые организмы
Ученые нашли способ превращать живые организмы – улиток, тараканов и грибы – в электронных «киборгов». Это делается путем имплантации крошечных «топливных элементов», которые генерируют и накапливают электроэнергию, используя метаболические процессы этих организмов. Работы, финансируемые ..
2012-03-18 1767 1 Технология
0
Анализ крови предложили проводить лазером
Канадские ученые предложили использовать для анализа крови фотоакустический эффект, который позволяет получить информацию о форме тел при помощи их облучения короткими лазерными импульсами. Работа опубликована в журнале Biophysical Journal, кратко ее содержание приводит ScienceNow. В ходе исследования ученые ..
2013-07-3 2118 0 Технология
0
Смятый графен стал основой искусственных мышц
Физики научились контролировать образование складок на графене и использовали их для создания искусственных «мышц» - электромеханического двигателя. Работа опубликована в журнале Nature Materials, а ее краткое содержание приводит сайт университета Дьюка. Для управления образованием складок на одноатомном углероде ученые использовали ..
2013-01-29 1971 0 Технология
1
РЖД запустили первый обновленный Сапсан
Макет «Сапсана», представленный в экспозиции «Передвижного выставочно-лекционного комплекса» ОАО «РЖД». «Российские железные дороги» запустили между Москвой и Санкт-Петербургом первый модернизированный высокоскоростной поезд «Сапсан». Об этом говорится в официальном пресс-релизе РЖД. Модернизация коснулась в первую очередь вагонов номер ..
2013-07-16 1270 0 Технология
0
В России научились выращивать сетчатку глаза из перепрограммированных клеток
В Федеральном научно-клиническом центре физико-химической медицины (ФНКЦ ФХМ) — подразделении Федерального медико-биологического агентства (ФМБА) — научились выращивать сетчатку глаза из перепрограммированных клеток. Об этом пишет газета «Известия».Эта разработка позволит лечить пациентов, теряющих зрение. Первую трансплантацию ..
2016-12-01 4037 0 Технология
0
На выставке CeBIT будет представлен кухонный робот ARMA
В заголовок не влезла последняя буква, исправьте пожалуйста: На выставке CeBIT будет представлен кухонный робот ARMAR. На выставке «CeBIT», которая будет проходить в Ганновере, технологический институт «Карлсруэ » и Исследовательский Центр Информационных Технологий «FZI» представят ..
2012-02-28 1670 0 Технология
0
Физики научились «гравировать» электрические цепи в кристаллах
Ученые из Университета штата Вашингтон научились с помощью лазерного луча создавать электрические цепи в кристалле титаната стронция. В этом им помог эффект устойчивой фотопроводимости, при которой сопротивление материала падает в сотни раз при облучении светом и остается низким в течение долгого времени. Получившиеся электропроводные цепи в металле ..
2017-08-02 29088 0 Технология
0
Светодиоды научились излучать запутанный свет
Физики из Университета Торонто разработали схему работы светодиодов, которые за счет дополнительного сверхпроводящего слоя излучают запутанные фотоны. Работа опубликована в журнале Physical Review B, ее препринт можно найти в arxiv.org, кратко содержание статьи приводится на сайте университета. Обычные ..
2014-03-21 1579 0 Технология
0
Печень можно будет выращивать из клеток кожи
В недалёком будущем людям, страдающим тяжёлыми поражениями печени, возможно, не понадобится помощь доноров. Биоматериал для поражённых участков органа медики начнут выращивать из клеток кожи самих пациентов. Основной проблемой на этом пути до сих пор была невозможность создать зрелые и активные ..
2014-02-26 1505 0 Технология
0
Швейцарские инженеры научились создавать изображения из бликов
Инженеры из Федеральной политехнической школы в Лозанне научились создавать изображения с помощью каустик - бликов, образующихся в результате отражения или преломления света на криволинейных поверхностях. Результаты работы были представлены на конференции, ее подробности приводятся на специальном сайте политехнической школы. Исходно авторы ..
2012-11-13 1490 0 Технология
0
Ученые научились управлять мозгом на расстоянии
В конце февраля ученые США объявили о создании программы, при помощи которой одна крыса могла управлять поведением другой при помощи сигналов, отправляемых мозгом и передаваемых через интернет, передает weblaboratory.org. Ученые из Вашингтонского университета заявили, что им удалось произвести те же действия, ..
2013-08-31 1924 0 Технология
-1
Корпорация Энергия производит живую воду
Специалисты Российской Ракетно-космической корпорации «Энергия» изобрели установку по получению из воздуха «живой воды, которая очень полезна для питья». Эти слова, принадлежащие начальнику управления коммерциализации Завода экспериментального машиностроения «Энергии», Александру Тормышеву, приводит «Интерфакс». «Мы ничего не придумывали ..
2013-05-23 1791 0 Технология
0