Физики делают лазерные лучи видимыми в вакууме

Физики Боннского университета разработали метод, позволяющий визуализировать лазерные лучи даже в этих условиях. Этот метод упрощает выполнение сверхточной лазерной юстировки, необходимой для управления отдельными атомами. Исследователи представили свой метод в журнале Physical Review Applied.

Когда отдельные атомы взаимодействуют друг с другом, они часто демонстрируют необычное поведение из-за своего квантового поведения. Эти эффекты можно, например, использовать для создания так называемых квантовых компьютеров, которые могут решать определенные проблемы, с которыми борются обычные компьютеры.

Однако для таких экспериментов необходимо маневрировать отдельными атомами в точном правильном положении.

«Мы делаем это с помощью лазерных лучей, которые служат, так сказать, конвейерами света», — объясняет доктор Андреа Альберти, руководившая исследованием в Институте прикладной физики Боннского университета.

Такая конвейерная лента света содержит бесчисленное количество карманов, каждый из которых может вместить один атом. Эти карманы можно перемещать вперед и назад по желанию, позволяя переносить атом в определенное место в космосе.

Если вы хотите перемещать атомы в разных направлениях, вам обычно понадобится много таких конвейерных лент. Когда в одно и то же место переносится больше атомов, они могут взаимодействовать друг с другом. Чтобы этот процесс происходил в контролируемых условиях, все карманы конвейерной ленты должны иметь одинаковую форму и глубину.

«Чтобы обеспечить эту однородность, лазеры должны перекрываться с точностью до микрометра», — объясняет Гаутам Рамола, ведущий автор исследования.

Боб на футбольном стадионе

Эта задача менее тривиальна, чем кажется. Во-первых, это требует большой точности. «Это все равно, что прицеливать лазерную указку с трибун футбольного стадиона, чтобы попасть в боб, находящийся на начальной точке», — поясняет Альберти. «Но это еще не все — вам нужно делать это с завязанными глазами». Это связано с тем, что квантовые эксперименты проводятся в почти идеальном вакууме, где лазерные лучи невидимы.

Поэтому исследователи в Бонне использовали сами атомы для измерения распространения лазерных лучей. «Для этого мы сначала изменили лазерный свет характерным образом — мы также называем это эллиптической поляризацией», — объясняет Альберти. Когда атомы освещаются подготовленным таким образом лазерным лучом, они реагируют, изменяя свое состояние характерным образом. Эти изменения можно измерить с очень высокой точностью.

«Каждый атом действует как небольшой датчик, который регистрирует интенсивность луча», — продолжает Альберти. «Изучая тысячи атомов в разных местах, мы можем определить местоположение луча с точностью до нескольких тысячных долей миллиметра».

Таким образом, исследователям удалось, например, настроить четыре лазерных луча так, чтобы они пересекались точно в желаемом месте. «Такая корректировка обычно занимает несколько недель, и у вас все равно нет гарантии, что оптимум достигнут», — говорит Альберти. «С нашим процессом нам понадобился всего один день, чтобы сделать это».