Физики из Института спектроскопии РАН и НИУ ВШЭ смогли удержать атомы рубидия-87 в ловушке более четырех секунд. Использование их метода удержания повысит точность квантовых сенсоров, в работе которых важны как количество, так и время удержания атомов. Такие квантовые системы используют для исследований темной материи, улучшения навигационных систем и поиска полезных ископаемых.
Результаты исследования опубликованы в «Письмах в Журнал экспериментальной и теоретической физики». Квантовые сенсоры — устройства, которые используют эффекты квантовой механики для изучения материи. С их помощью стало возможно улавливать мельчайшие изменения в гравитационных и магнитных полях, а также с высокой точностью измерять ускорение и вращение Земли. Это направление современной прикладной физики способно изменить представления о точности измерений физических величин.
Атомы нельзя просто поместить в сенсор и успокоиться, они не останутся там и на минуту из-за теплового движения. Чтобы удерживать атомы в определенной области, ученые замедляют их, охлаждая разными способами в несколько этапов. Первый из них — охлаждение и захват атомов в магнито-оптические ловушки (МОЛ). Такие ловушки создают с помощью лазерных и магнитных полей. Для создания распределений магнитных полей в компактных устройствах понадобится атомный чип.
«Каждый из этапов охлаждения уменьшает количество атомов в рабочем объеме сенсора, а это снижает точность прибора. Поэтому нам важно собрать как можно больше атомов на этапе подготовки первичного ансамбля, чтобы точность квантового сенсора осталась высокой после всех стадий охлаждения», — объясняет ключевую проблему создания квантовых сенсоров на основе холодных атомов Дарья Быкова, преподаватель факультета физики, аспирантка НИУ ВШЭ.
Первичное охлаждение до температуры порядка сотни микрокельвинов значительно замедляет тепловое движение атомов, что помогает удерживать их в выбранной области пространства. Снижение температуры обеспечивают лазерным излучением: воздействие луча лазера заставляет атомы терять кинетическую энергию и двигаться медленнее. Вместе лазерное излучение и магнитное поле удерживают атомы на месте достаточно долго для проведения экспериментов, то есть формируют ловушку, из которой атомам непросто выбраться. На следующей стадии, уже без лазерного поля, атомы охлаждают до температуры около сотни нанокельвинов, то есть еще в тысячу раз.
«Можно сказать, что мы “толкаем” атомы лазерным излучением к центру ловушки. Они оказываются в ней заперты магнитным полем и постоянным давлением света», — комментирует Дарья Быкова.
Одна из эффективных технологий, которая дает исследователям возможность уменьшать размеры квантовых сенсоров и улучшать их энергоэффективность, — атомный чип. Он формирует вблизи своей поверхности магнитное поле, необходимое для создания ловушек, и позволяет охлаждать и локализовывать ансамбли атомов вблизи своей поверхности.
В отделе лазерной спектроскопии Института спектроскопии РАН студенты и аспиранты НИУ ВШЭ сформировали ловушки с применением технологии атомного чипа. В этой конфигурации они смогли удержать атомы в нужной области на продолжительное для квантовых технологий время — на четыре секунды.
Исследователи экспериментально показали, что при использовании атомного пучка для загрузки атомов в МОЛ на чипе количество локализованных атомов резко возрастает по сравнению с загрузкой из атомных паров в вакуумной камере. Также они подтвердили, что могут эффективно контролировать загрузку атомной ловушки. Они смогли корректировать расположение пучка атомов с помощью лазерных полей. Такое сочетание технологий значительно увеличило скорость загрузки при сохранении ультравысокого вакуума в области атомного чипа по сравнению с предыдущими экспериментами.
«Мы нашли оптимальные условия загрузки в МОЛ и удержали достаточное для стабильной работы количество атомов в ловушке — 4,9×10⁷. Время жизни ансамбля — 4,1 секунды, этого хватит, чтобы провести следующие стадии более глубокого охлаждения и создать прототип квантового сенсора», — рассказал Антон Афанасьев, доцент базовой кафедры квантовой оптики и нанофотоники Института спектроскопии РАН факультета физики НИУ ВШЭ, старший научный сотрудник Института спектроскопии РАН.