Рассеяние света оказалось способным связывать холодные атомы

Физики из Франции и Бразилии рассмотрели систему двух атомов, охлажденных до низкой температуры и пойманных с помощью лазерного излучения в двумерной плоскости, и показали, что благодаря одновременному рассеянию света на частицах в такой системе будут возникать связанные и метастабильные состояния. Такое связывание происходит вопреки отсутствию вязкого трения, которое гасило бы колебания частиц. Статья опубликована в Physical Review A, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Свет не проходит через вещество беспрепятственно, но взаимодействует с ним сложным образом, причем это взаимодействие проявляется как на микроскопических, так и на макроскопических масштабах. На практике удобно разделять «оптическую силу», действующую со стороны светового луча на частицу, на дипольную силу и силу радиационного давления: первая из них старается поймать частицу в максимуме интенсивности поля электромагнитной волны, а вторая толкает ее вдоль пути распространения луча. После изобретения лазера управлять взаимодействием света и вещества стало гораздо удобнее, и ученые научились использовать лазерные лучи для перемещения, точного позиционирования и удержания отдельных атомов или небольших объектов. В частности, такой подход применяется в оптических пинцетах или магнито-оптических ловушках.

Более того, обмен фотонами между расположенными поблизости объектами может приводить к появлению между ними дополнительных сил притяжения или отталкивания и скоррелировать положения частиц, пойманных в ловушку и отстоящих друг от друга на расстояния порядка длины волны фотонов. Этот эффект, известный как оптическое связывание (optical binding), впервые был экспериментально подтвержден группой ученых под руководством Жене Головченко (Jene Golovchenko), которая измеряла силу взаимодействия между двумя диэлектрическими сферами, помещенными в вязкую жидкость. В дальнейшем оптическое связывание наблюдалось и в других, более сложных системах.

Тем не менее, все подобные эксперименты, как и работа группы Головченко, существенно полагались на вязкое трение между рассеивающими свет объектами и средой, в которую они были помещены. Другими словами, во всех этих экспериментах равновесие достигалось только тогда, когда силы вязкого трения начинали перевешивать силы, возникающие благодаря рассеянию света. В то же время, некоторые теоретические работы предсказывают, что оптическое связывание может возникать и при отсутствии любого трения, кроме радиационного, связанного с рассеянием света. В новой статье группа ученых под руководством Карлоса Максимо (Carlos Máximo) показала, что такое связывание действительно происходит.

Для этого ученые теоретически рассмотрели систему из двух одинаковых двухуровневых атомов, которые могут свободно перемещаться в двумерной плоскости, и численно решили систему дифференциальных уравнений, описывающих их движение. На практике такую систему можно реализовать с помощью двух лазерных пучков, которые распространяются в противоположных направлениях и не позволяют атомам покинуть плоскость. Заметим, что момент импульса L такой системы будет сохраняться, что обеспечивает бесконечное движение атомов в случае L ≠ 0. В самом деле, момент импульса системы равен L = 2m[r × v], где r — это вектор, направленный из центра системы на один из атомов, а v — это его скорость; если оба этих вектора изначально не были равны нулю, они и потом никогда не зануляются. Наконец, лазерные пучки не только удерживают атомы в плоскости, но и связывают атомы благодаря одновременному рассеянию света.

Полный текст статьи - https://nplus1.ru/

Поиск