Лазерный мир

Температура в физике является аналогом внутренней энергии вещества, поэтому чем сильнее нагрет материал, чем быстрее двигаются в нем частицы. Самая низкая температура из физически возможных соответствует минус 273,15 °С (или 0 Кельвин), и в этой точке тепловое движение останавливается полностью.

Для исследований на микроуровне ученым необходимо точно знать, чем вызван тот или иной эффект. Например, электрон внезапно ускорился, и для этого ему потребовалась энергия. Но как понять, откуда она появилась: от попавшего на электрон фотона или из тепла окружающей среды? Ученые давно нашли ответ на этот вопрос: изучать такие частицы необходимо при охлаждении, наиболее близком к абсолютному нулю.

Самый простой метод получения низких температур — использование жидкого гелия. В свободном состоянии это газ, входящий в состав атмосферы и известный многим по забавному свойству делать голос смешным. Дело в том, что частота колебаний голосовых связок зависит от плотности воздушной среды. Плотность гелия в семь с лишним раз ниже, чем воздуха, а скорость звука — в три раза выше. Поэтому в полости гортани резонансно усиливаются более высокие гармоники колебаний голосовых связок, за счет чего голос и становится писклявым.

«Для науки важным свойством гелия является его природная низкая температура, когда он находится в жидком виде, для чего газ в буквальном смысле сжимают в специальном компрессоре. Тогда он приобретает температуру 4,2 Кельвина. Но ее можно понизить, если использовать два изотопа (так называют разновидности атомов с одинаковым зарядом, но разным количеством нейтронов) гелия — 3 и 4. При охлаждении смеси, включающей в себя эти изотопы, она делится на две фазы — богатую гелием-3 и гелием-4. При переходе первого из них в фазу, богатую гелием-4, происходит снижение температуры. Так можно охладить систему до 10-20 милликельвин в рефрижераторах растворения», — рассказывает Владимир Гуртовой, старший научный сотрудник Лаборатории искусственных квантовых систем Московского физико-технического института.

CC BY-SA 2.5 / Mark Somoza / Helium dilution refrigerator Рефрижератор растворения — устройство, в котором для охлаждения используется смесь двух изотопов гелия

Но чтобы создать системы с температурой в миллиардные доли Кельвина, необходимы более сложные способы. Для этого используют лазеры, имеющие важное свойство излучать весь свет на одной частоте. Это означает, что фотоны, из которых и состоит луч, синхронно совершают одинаковое количество движений за единицу времени.
Электроны в составе атома разложены по своеобразным уровням — полочкам. Чем дальше электрон от ядра, тем большей энергией должен обладать. Разница между уровнями в атоме измеряется энергией, которую электрон должен поглотить, чтобы подняться на уровень выше. Источником энергии служит фотон, налетающий на атом. Если его энергия будет меньше необходимой электрону для перехода, фотон полетит своей дорогой, скорее всего, изменит траекторию. Частоту лазерного излучения выбирают с учетом того, чтобы она была немного меньше той, которая требуется для поглощения фотона электроном. Но если атом будет двигаться к источнику света (лазеру), он «увидит» энергию фотонов большей, чем она есть на самом деле, и успешно поглотит их.

© Иллюстрация РИА Новости . Алина Полянина
Так художник представил себе процесс поглощения и испускания фотона атомом

Потом атом обязательно должен испустить «съеденные» фотоны, причем уже с их истинной энергией. Таким образом, разность поглощенной и испущенной энергии будет взята из теплового движения атома.

Правда, пределом получаемой таким методом температуры будет несколько сотен микрокельвин — примерно такова энергетическая ширина полочки, где расположены электроны. И в определенный момент прибавка энергии начнет попадать в окно неопределенности энергии излучения атома.

Поэтому желающие продолжить заморозку ученые должны использовать так называемое сизифово охлаждение. Навстречу атому направляют два лазерных пучка с поляризацией, перпендикулярной друг другу. Полученные волны света сбрасывают атом в более низкое энергетическое состояние, навязывая ему собственную частоту вместо уже имеющейся.
Недостаток двух этих методов заключается в невозможности охлаждать большие системы, поскольку с помощью лазеров можно заморозить только отдельные атомы. Для более крупных объектов применяют схемы, основанные на гелии.

Источник: https://ria.ru/science/20171129/1509679418.html