Крихітні атомні зіткнення викликають несподівані спалахи енергії

Атоми рубідію можуть поводитися непередбачувано під час атомних зіткнень, коли на них впливає лазерне світло певного кольору. Вони навіть можуть викидати себе з ретельно контрольованих пасток, що стало несподіванкою для дослідників, які вивчають їх за умов, наближених до абсолютного нуля. Нове дослідження дозволило контролювати зіткнення між цими атомами точніше, ніж будь-коли раніше. Дослідження очолювали професор Сінді Регал з Університету Колорадо в Боулдері та Хосе Д’Інкао з Університету Массачусетса. Експерти об’єднали зусилля, щоб дослідити, що відбувається, коли лазерне випромінювання змушує ці крихітні частинки взаємодіяти одна з одною.

Розуміння холодних атомних зіткнень

Експерименти з ультрахолодними атомними газами показали несподівані особливості того, як атоми відштовхуються один від одного. Дослідники працюють за температур, близьких до абсолютного нуля, коли стандартний тепловий рух атомів значно сповільнюється. Це дозволяє домінувати квантовим ефектам, включаючи особливі механізми зіткнень, чутливі до малих енергетичних зрушень в атомах. Група Регал досліджувала світло-асистовані зіткнення, які відбуваються, коли фотон лазера тимчасово створює квантовий стан суперпозиції у двох атомах. У цьому стані будь-який з атомів може поглинути фотон, що спричиняє несподіване вивільнення енергії, яка часто виштовхує обидва атоми з пастки.

Гіпертонка структура у фокусі

Гіпертонка структура визначається малими енергетичними зрушеннями, викликаними взаємодією спіну ядра атома з кутовим моментом електрона. До недавнього часу ці зрушення часто ігнорували при вивченні швидкості зіткнень. Проте команда Регал і Д’Інкао виявила, що гіпертонка структура є ключовим фактором у визначенні механізму зіткнень та кількості вивільненої енергії.

«Ця енергія передається зіткненим атомам, що може бути проблемою, оскільки вона достатньо велика, щоб атоми залишали пастку. Але коли ця енергія контрольована, такі зіткнення можуть бути корисними», – пояснила Регал.

Оптичні пінцети для точного контролю

Дослідники використали оптичні пінцети – лазерні промені, сфокусовані так, щоб утримувати окремі атоми на місці.

Експерти розташували два атоми рубідію в окремих пінцетах, а потім об’єднали їх, щоб спостерігати, з якою швидкістю вони зіткнуться при додатковому лазерному опроміненні на різних частотах.

Контролюючи частоту лазера відносно атомних переходів, команда могла вимірювати, як варіації світла впливали на втрату атомів із пастки. Такий підхід забезпечив рівень контролю, який було важко досягти у більших експериментальних системах на основі атомних хмар.

Уточнення швидкості зіткнень

«Ми налаштовували лазер на певну частоту, а потім змінювали тривалість світлового впливу. Далі ми підраховували, скільки атомів залишалося у пастці. Це дозволяло визначити, з якою швидкістю атоми зіткнулися та набули достатньо енергії, щоб покинути систему», – пояснив Стівен Пампел, перший автор дослідження.

Різні гіпертонкі стани атомів спричиняли різні швидкості зіткнень. Це змусило команду розробити уточнену модель, що пов’язує результати зіткнень із потенційними енергетичними кривими, які керують поведінкою атомів під впливом лазерного світла.

Новий спосіб виявлення атомних зіткнень

Стандартні методи візуалізації ускладнюють зчитування даних у таких експериментах. Освітлення атомів для перевірки їх присутності в пастці може змінити їх енергетичний стан і випадково виштовхнути їх із системи. Щоб уникнути цього, Пампел і його колеги розробили метод, що дозволяє визначати, чи був викинутий один або обидва атоми, без втручання у систему. Точніший метод детектування забезпечив коректний підрахунок зіткнень, що підвищило достовірність результатів.

Майбутнє керованих атомних зіткнень

Д’Інкао зазначив, що візуалізація молекулярних станів, які утворюються під час зіткнень, допомогла підтвердити вплив гіпертонких взаємодій на результати експерименту.

«Мапування потенційних енергетичних кривих двох зіткнених атомів у присутності світла та гіпертонкої взаємодії потребувало складнішого аналізу, ніж попередні роботи, які враховували лише тонку структуру атомів», – пояснив Д’Інкао.

Група Регал сподівається, що детальніше розуміння малих енергетичних розщеплень надихне на розробку нових методів маніпуляції атомами у масивах оптичних пінцетів. Контрольовані зіткнення можуть бути корисними у квантових обчисленнях та інших наукових сферах, які залежать від точного керування атомними взаємодіями.

Значення дослідження

Дослідники вважають, що світло-асистовані зіткнення залишатимуться потужним інструментом для підготовки та модифікації нейтральних атомів у пастках для передових експериментів. Зростає інтерес до застосування цих методик на інших атомних видах, що може забезпечити кращий контроль у молекулярній квантовій науці.

Ці висновки можуть дати вченим нові ідеї щодо створення наступного покоління пристроїв, що ґрунтуються на точно контрольованих взаємодіях атомів. Покращене керування зіткненнями може відкрити шлях до більш надійних вимірювань та розрахунків у різних фундаментальних дослідженнях. Дослідження опубліковане в журналі Physical Review Letters.