Недавняя работа, выполненная в МИТ, по выводу атомного конденсата из магнитных ловушек, позволила ее авторам утверждать, что тем самым удалось построить атомный лазер.

На Рис. 4 показана принципиальная схема этого устройства. Сначала (Рис. 4а), бозе - конденсат удерживается магнитной ловушкой. У всех атомов (электронные) спины направлены параллельно магнитному полю (условное направление “вверх”). Затем, короткий импульс ВЧ - излучения “наклоняет” спины атомов – (Рис. 4b). Согласно принципам квантовой механики “наклоненный” спин является суперпозицией состояний - “спин - вверх” и “спин - вниз”. Так как атомы со спином “вниз” выталкиваются магнитным полем, атомная “капля” расщепляется на удерживаемую ловушкой и выводимую из магнитной ловушки (Рис. 4c). “Капля” бозе - конденсата на выходе падает в поле тяжести и неоднородно расширяется (Рис. 4d).

Существенным аргументом в пользу этого утверждения является то, что атомный пучок имеет то же самое важное свойство, которым лазерный свет отличается от света, излучаемого электрической лампочкой - когерентность.

Когерентность атомного пучка была убедительно продемонстрирована в интерференционном эксперименте, идея которого показана на Рис. 5.

Рис. 4. Атомный лазер.

Рис. 5. Наблюдение когерентности бозе-конденсата.

В специальной магнитной ловушке создан БЭК “сигароподобной” формы (Рис. 5а). С помощью лазерного луча конденсат разрезается на две части (Рис. 5b). После отключения ловушки конденсаты падают вниз и расширяются, медленно наезжая друг на друга. В области перекрывания образуется высококонтрастная интерференционная картина с расстоянием между пучностями равным половине длины волны де Бройля атомов в конденсате (Рис.5с). Интерференционная картина наблюдается на экране с помощью оптического лазера (5d).

В области перекрытия конденсатов из атомов натрия наблюдалась четкая интерференционная картина с расстоянием между пучностями, равным l/2, где длина волны де Бройля равна l=ht/md, здесь t - время наблюдения, m - масса атома, d - расстояние между конденсатами в начальный момент. Наблюдавшейся картине интерференции с периодом 15 m м соответствует кинетическая энергия атомов 0,5 нК, тогда как перед разлетом частицы атомного конденсата имели энергию 100 нК. Наблюдение интерференции свидетельствует о единой волновой функции всех частиц.

Разберем теперь некоторые аналогии и различия между оптическим (ОЛ) и атомным лазером (АЛ). В АЛ аналогом активной среды выступают ультрахолодные атомы; оптическому резонатору соответствует магнитная ловушка, а импульс ВЧ радиоизлучения (наклоняющий спины атомов (Рис. 4)) контролирует “прозрачность магнитных зеркал”. Аналогом спонтанного излучения атомов активной среды в АЛ, выступают процессы упругого рассеяния атома на атоме, что приводит к возможному разрастанию конденсата. В АЛ “возбуждение активной среды” осуществляется процессом испарительного охлаждения. В ОЛ, как правило, генерируется много лазерных мод (типов колебаний электромагнитного поля в резонаторе с близкими частотами). В АЛ, напротив, возникает только одна мода - при формировании БЭК осуществляется своего рода “конкурс мод”: первое возбужденное состояние атомов в ловушке не может быть макроскопически населенным, т.к. основное состояние по образному замечанию профессора МИТ В. Кеттерля (W. Ketterle) “съедает весь пирог”.

Имеются и более существенные различия. Если фотоны рождаются активной средой и в ОЛ идет процесс их “усиления” и генерации, то атомы нельзя ни создать, ни уничтожить. (Мы не берем здесь в расчет возможные в принципе процессы при высоких энергиях с рождением пар “атом - антиатом”). Число атомов в АЛ не может быть увеличено, увеличивается лишь число атомов в основном состоянии. Хотя атомы в условиях разреженного бозе - конденсата подчиняются той же статистике, что и фотоны, между ними имеется следующее принципиальное отличие, которое следует принимать во внимание при построении теории АЛ. Фотоны являются квантами электромагнитного поля - переносчика взаимодействия между заряженными частицами. Однако фундаментальные силы, переносчиками которых бы выступали атомы отсутствуют, следовательно, нет и фундаментального “атомного поля”, квантами которого бы являлись атомы.

Атомы в отличие от фотонов взаимодействуют между собой, что приводит к дополнительному разбеганию пучка АЛ. В отличие от света волны материи не могут распространяться в среде, например, в воздухе. Атомы - массивные частицы, поэтому атомный когерентный пучок будет падать в поле тяжести, как и пучок обычных атомов.

Бозе - конденсат в АЛ находится в состоянии термодинамического равновесия при экстремально низкой температуре. В противоположность этому ОЛ работает в существенно неравновесном состоянии, которое характеризуется отрицательной температурой (которая означает, что система “более горячая”, чем даже при бесконечно высокой температуре). Последнее означает, что для АЛ не имеет место ключевое для ОЛ понятие “инверсии населенностей”.

Работы по созданию АЛ находятся в самом начале пути. Совсем недавно (апрель 1999 г.) исследователи из Института Макса Планка (ФРГ) продемонстрировали АЛ с “непрерывным” пучком атомов рубидия длительностью около 0,1 секунды. Сообщается, что радиус атомного пучка может, в принципе, быть уменьшен до нанометра, что примерно в тысячу раз меньше, чем в фокусе пучка ОЛ.