Лазеры генерируют когерентные волны света: весь свет внутри лазера вибрирует полностью синхронно. Между тем квантовая механика говорит, что частицы, подобные атомам, также следует рассматривать как волны. В результате можно создавать «атомные лазеры», содержащие когерентные волны материи. Но можно ли сделать так, чтобы эти волны материи сохранялись, чтобы их можно было использовать в приложениях? В исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Nature, команда амстердамских физиков показывает, что на этот вопрос есть утвердительный ответ, рассказывает phis.org.

Концепция, лежащая в основе атомного лазера, — это так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, или сокращенно BEC.

Элементарные частицы в природе встречаются двух типов: фермионы и бозоны. Фермионы — это частицы, подобные электронам и кваркам, — строительные блоки материи, из которой мы состоим. Бозоны очень разные по своей природе: они не твердые, как фермионы, а мягкие: например, они могут без проблем проходить друг сквозь друга. Наиболее известным примером бозона является фотон, наименьшее возможное количество света.

Но частицы материи также могут объединяться, образуя бозоны — фактически, целые атомы могут вести себя точно так же, как частицы света. Бозоны могут находиться в одном и том же состоянии в одно и то же время, или, выражаясь более техническими терминами, они могут «конденсироваться» в когерентную волну. Когда этот тип конденсации происходит для частиц материи, физики называют получающееся вещество конденсатом Бозе-Эйнштейна.

В повседневной жизни мы совсем не знакомы с этими конденсатами. Причина: очень трудно заставить атомы вести себя как один. Виновником, нарушающим синхронность, является температура — когда вещество нагревается, составляющие его частицы начинают колебаться, и становится практически невозможно заставить их вести себя как единое целое. Только при чрезвычайно низких температурах, примерно на миллионную долю градуса выше абсолютного нуля (около 273 градусов ниже нуля по шкале Цельсия), существует вероятность формирования когерентных волн материи БЭК.

Четверть века назад в физических лабораториях были созданы первые конденсаты Бозе-Эйнштейна. Это открыло возможность создания атомных лазеров — устройств, которые буквально излучают пучки вещества. Однако эти устройства были способны функционировать только в течение очень короткого времени. Лазеры могли генерировать импульсы волн материи, но после отправки такого импульса необходимо было создать новый BEC, прежде чем можно было послать следующий импульс.

На самом деле, обычные оптические лазеры также были сделаны в импульсном варианте, прежде чем физики смогли создать непрерывные лазеры. Но в то время как разработки для оптических лазеров развивались очень быстро, первый непрерывный лазер был создан в течение шести месяцев после его импульсного аналога, для атомных лазеров непрерывная версия оставалась недостижимой более 25 лет.

Было ясно, в чем проблема: порции вещества БЭК очень хрупки и быстро разрушаются, когда на них падает свет. Тем не менее, присутствие света имеет решающее значение для образования конденсата: чтобы охладить вещество до миллионной доли градуса, нужно охладить его атомы с помощью лазерного излучения. В результате БЭК были ограничены мимолетными всплесками, без возможности их последовательного поддержания.

Команде физиков из Амстердамского университета теперь удалось решить сложную задачу создания непрерывного конденсата Бозе-Эйнштейна.

Флориан Шрек, руководитель группы, объясняет, в чем заключалась хитрость. «В предыдущих экспериментах постепенное охлаждение атомов производилось в одном месте. В нашей установке мы решили распределить этапы охлаждения не по времени, а по пространству: мы заставляем атомы двигаться, пока они проходят последовательные этапы охлаждения. В конце концов, ультрахолодные атомы попадают в центр эксперимента, где их можно использовать для формирования когерентных волн материи в БЭК. Но пока эти атомы используются, новые атомы уже находятся на пути к пополнению БЭК. Таким образом, мы можем продолжать этот процесс — по сути, вечно».

Хотя основная идея была относительно простой, ее реализация не была такой лёгкой. Решив давнюю открытую проблему создания непрерывного конденсата Бозе-Эйнштейна, исследователи теперь сосредоточились на следующей цели: использовать лазер для создания стабильного выходного пучка вещества. Как только их лазеры смогут не только работать вечно, но и генерировать стабильные лучи, ничто больше не будет препятствовать техническому применению, и лазеры на основе материи могут начать играть такую же важную роль в технологии, как и обычные лазеры в настоящее время.