Физики из Университета Колорадо в Боулдере провели исследование, раскрывающее механизмы столкновений ультрахолодных атомов, вызванных лазерным излучением. Ученые впервые детально изучили, как свет влияет на столкновения атомов в условиях сверхнизких температур. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters (PRL).
При экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю, атомы ведут себя необычно: их столкновения подчиняются законам квантовой механики. Когда лазерное излучение попадает на два таких атома, оно может спровоцировать образование короткоживущего молекулярного состояния, после чего атомы разлетаются, высвобождая значительное количество энергии. Эти столкновения играют важную роль в квантовых технологиях, но до сих пор механизмы их возникновения оставались малоизученными.
Используя оптические пинцеты — мощные сфокусированные лазеры, удерживающие отдельные атомы, — исследователи смогли изолировать пары атомов и наблюдать за их поведением. В качестве материала использовались атомы рубидия.
Физики провели серию экспериментов, в которых сталкивали два атома рубидия, регулируя частоту и продолжительность лазерного импульса. После столкновения атомы попадали в особое квантовое состояние суперпозиции, в котором оставалось неясным, какой именно атом поглотил фотон. В результате силы взаимодействия между атомами увеличивались, а выделенная энергия выбрасывала их за пределы ловушки.
«Мы наблюдали эффект, схожий с ударом в бильярде, когда фотон играет роль кия, разгоняющего сразу два атома,» — пояснил ведущий автор исследования Стивен Пампель.
Команда варьировала частоту лазерного излучения, измеряя скорость потерь атомов. Это позволило определить, как гипертонкая структура атомов (малые энергетические расщепления, возникающие из-за взаимодействия ядра и электрона) влияет на скорость столкновений.
Исследователи также разработали новый метод визуализации, позволяющий точно определить, покинули ли ловушку оба атома или только один. Это оказалось критически важным, так как стандартные методы наблюдения могли сами по себе выталкивать атомы из ловушки, искажая результаты.
Дополнительно была создана новая теоретическая модель, объясняющая, почему разные гипертонкие состояния атомов приводят к различным скоростям столкновений. Это поможет предсказать поведение и других элементов в подобных условиях.
По мнению ученых, возможность точного контроля над такими взаимодействиями приближает нас к созданию новых квантовых технологий, которые смогут революционизировать вычисления и моделирование сложных физических систем.
Ранее ученые выяснили, что время в квантовом мире движется в обе стороны.