​Физика ультрахолодных атомов — бурно развивающаяся во всем мире область науки, в которой Россия, к сожалению, пока отстает. Но новосибирские ученые пытаются исправить положение: в Институте автоматики и электрометрии СО РАН более десяти лет работает экспериментальный комплекс для изучения свойств атомов, охлажденных до сверхнизких температур, а также возможностей их применения.  

В конце прошлого года Институт автоматики и электрометрии СО РАН в кооперации с двумя институтами Сибирского отделения — Лазерной физики и Физики полупроводников им. А.В. Ржанова, а также Новосибирским государственным университетом, провел очередную всероссийскую конференцию «Физика ультрахолодных атомов». Объединение этих организаций в данном направлении стало возможным благодаря интеграционным проектам Президиума СО РАН с 2003 по 2014 гг. Научная координация весь период осуществлялась поочередно Павлом Львовичем Чаповским в ИАиЭ СО РАН, Игорем Ильичем Рябцевым в ИФП СО РАН и Алексеем Владимировичем Тайченачевым в ИЛФ СО РА

Главный научный сотрудник ИАиЭ СО РАН доктор физико-математических наук Павел Львович Чаповский рассказал «Науке в Сибири» о работе группы новосибирских ученых в области лазерного охлаждения атомов.

— Что такое и для чего нужны ультрахолодные атомы?

— Есть макромир, в котором мы живем и где сформировалась наша повседневная интуиция, которая подсказывает, что стабильными и долговечными являются большие объекты. Причем, чем крупнее, тем «прочнее», например, пирамида Хеопса или горы. А вот малые частицы кажутся нам хрупкими и недолговечными. Но в микромире, где действуют законы квантовой механики, наша классическая интуиция не работает, и ситуация оказывается кардинально другой.

Хрупкая на вид «вселенная» микроскопических объектов может быть иногда исключительно стабильной. Например, вышеупомянутой гигантской пирамиде около пяти тысяч лет. Но через миллион лет она разрушится…. А вот атом водорода вроде крохотный, но спустя и миллион, и сто миллионов лет останется прежним. И даже если мы потеряем конкретную частицу, то сможем создать ее абсолютно идентичную копию. Такой уникальной стабильностью микроскопических объектов необходимо научиться пользоваться для решения важных задач. Но чтобы «добраться» до этого свойства, исследователям необходимо устранить многие препятствия. Главные среди них — быстрое и хаотичное движение атомов, столкновения и внешние поля. Для решения проблемы ученые и охлаждают мельчайшие частицы до сверхнизких температур.

Какие основные результаты получены в этой области в мире?

— Создание методов лазерного охлаждения коренным образом изменило атомную физику. Разработаны различные технологии получения атомов с температурами в области милли-, микро-, нано- и даже пико-Кельвин. Ультрахолодные атомы уже нашли многочисленные применения в решении фундаментальных и практических задач, например, в современных навигационных системах GPS и ГЛОНАС. Развиваются многие другие научные применения в спектроскопии, физике вырожденных бозе- и ферми-газов, моделировании сверхтекучести и сверхпроводимости, в квантовой информатике. Исследования отмечены несколькими Нобелевскими премиями: за создание магнитооптической ловушки в 1997 г., за получение бозе-эйнштейновской конденсации разреженных газов в 2001 г., за эксперименты с одиночными квантовыми объектами в 2012 г.

— Как распределены научные задачи между перечисленными выше институтами СО РАН?

— В каждом из этих институтов и НГУ ведутся обширные теоретические исследования в выше обозначенной области. В ИФП СО РАН акцент сделан на изучении ультрахолодных атомов для задач квантовой информатики. Для этих целей рассматриваются специфические объекты — атомы в ридберговских состояниях, в которых внешний электрон находится на очень высокой орбите и приобретает уникальные свойства: огромные размер и поляризуемость, а также многие другие. В сочетании с низкой температурой поступательного движения такие атомы становятся ценными «кирпичиками» (кубитами) будущих квантовых.

В ИЛФ СО РАН ультрахолодные атомы магния применяются для создания оптических эталонов времени нового. Такие часы на несколько порядков точнее существующих — они будут «уходить» менее чем на одну секунду за время существования нашей Вселенной (то есть за 15 миллиардов лет). В ИАиЭ СО РАН ведутся исследования вырожденных бозе-эйнштейновских конденсатов разреженных газов. В этих объектах большое количество атомов оказывается в одном квантовом состоянии, и мы достигаем максимально возможного контроля над частицами, который допускает квантовая механика. Температуру таких объектов можно считать равной абсолютному нулю.

Каковы возможности экспериментального комплекса, созданного в ИАиЭ для изучения ультрахолодных атомов?

— Мы создали в институте установку для получения бозе-эйнштейновского конденсата атомов рубидия. Она оказалась первой и до сих пор единственной в России. (Подобного уровня оборудование есть только в Институте прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде, где группа под руководством доктора физико-математических наук Андрея Вадимовича Турлапова занимается исследованием вырожденных ферми-газов, атомов литий-6). Сейчас задача комплекса по изучению ультрахолодных атомов в ИАиЭ — создание двойных оптических потенциалов и изучение поведения бозе-конденсатов в таких ямах.

Мы планируем сделать двойной оптический потенциал, поместить туда бозе-конденсат и изучать его динамику в различных экспериментальных условиях. Эта система будет обладать многими уникальными возможностями. Бозе-конденсат в одной из ям можно использовать для управления и диагностики соседнего конденсата, а двойные ямы — для создания макроскопических квантовых объектов нового типа. Например, бозе-конденсатов во вращающихся двойных ямах. Теоретические модели для бозе-конденсатов в двойных ямах разрабатываются в группе ведущего научного сотрудника, доктора физико-математических наук, Леонида Вениаминовича Ильичева в ИАиЭ.

Беседовала Марина Москаленко

Источники

Полюс холода в Сибири
Наука в Сибири (sbras.info), 21/04/2016

Похожие новости

  • 27/04/2017

    «Фотоника и квантовые оптические технологии» на МНСК-2017

    «Фотоника и квантовые оптические технологии» — такая секция впервые была организована в рамках 55-ой Международной научной студенческой конференции, которая прошла 16-20 апреля в НГУ. Исследования и разработки в направлениях науки и техники, связанных с генерацией и распространением квантов света (фотонов), управлением ими, изучением и использованием их взаимодействия с веществом, бурно развиваются во всем мире, а результаты этих работ быстро выходят на рынок в виде высоковостребованных устройств и технологий - систем сверхбыстрой оптической связи, промышленных лазеров, биомедицинского лазерного оборудования, метрологических и сенсорных устройств, и многих других.
    2894
  • 08/08/2018

    Академик Александр Латышев: Центр полупроводниковых нанотехнологий должен обеспечить мировой уровень исследований

    ​Тысячные тиражи компонентов из новейших материалов через пять лет смогут получать предприятия российской электронной промышленности. Источник — новый инжиниринговый центр, о котором рассказывает врио директора Института физики полупроводников имени Ржанова СО РАН академик Александр Васильевич Латышев.
    1101
  • 01/09/2016

    Алексей Тайченачев: часовых дел физик

    ​Профессор Алексей Владимирович Тайченачев, физик-теоретик, специалист в области лазерной спектроскопии, квантовой оптики и лазерного охлаждения, своим главным научным интересом считает создание самых точных в мире часов — лазерных.
    2173
  • 19/12/2017

    В новосибирском Академгородке проходит 10-я конференция «Физика ультрахолодных атомов»

    ​18 декабря 2017 года в Институте автоматики и электрометрии СО РАН открылась юбилейная 10-я Всероссийская конференция «Физика ультрахолодных атомов». Организовали конференцию совместно Институт автоматики и электрометрии, Институт лазерной физики, Институт физики полупроводников СО РАН и Новосибирский государственный университет.
    1416
  • 25/10/2019

    ИАиЭ СО РАН развивает направление по фотонике

    ​Прикладная фотоника – одно из актуальных направлений, которому в Институте автоматики и электрометрии СО РАН уделяется большое внимание. Институт принимает участие в программах, направленных на развитие этого направления.
    579
  • 30/03/2017

    Лекторий «От проблем фотоники к реальным технологиям!»

    Лаборатория экспериментальной физики НГУ совместно с Институтом лазерной физики СО РАН и Институтом автоматики и электрометрии СО РАН в рамках САЕ НГУ «Нелинейная фотоника и квантовые технологии» представляет лекторий по интереснейшему направлению, связанному с фотоникой и квантовыми технологиями: «От проблем фотоники к реальным технологиям!»В течение весеннего семестра молодые учёные, занимающиеся исследованиями в передовых направлениях науки и внедрением новейших достижений в технологическую сферу, прочтут цикл лекций.
    1851
  • 20/05/2019

    Городские дни науки-2019: КЛАССный учёный

    С 2017 года в рамках городских дней науки проходят выездные лекции для школьников — проект «КЛАССный ученый». Он создан для того, чтобы ученики разных школ Новосибирска узнали, что такое настоящая наука, какие работы в разных областях знаний сейчас находятся на передовом её крае, а также вживую пообщались с исследователями из научных институтов, вузов и образовательных организаций нашего города.
    758
  • 20/06/2017

    Международная выставка «НТИ ЭКСПО» в Новосибирске

    ​​​Уникальная международная выставка достижений технологического развития "НТИ ЭКСПО" пройдет в рамках V Международного форума технологического развития "Технопром-2017" 20-22 июня в Новосибирске при поддержке правительства РФ, коллегии ВПК, Минпромторга России, Минэкономразвития России, МИДа РФ, правительства Новосибирской области.
    2995
  • 09/09/2019

    Повестка научной сессии Объединенного ученого совета СО РАН по физическим наукам 10 сентября 2019 года

    ​10 сентября 2019 г. в 9.30 в конференц-зале ИЯФ СО РАН состоится научная сессия Объединенного ученого совета СО РАН по физическим наукам. ПОВЕСТКА научной сессии Объединенного ученого совета СО РАН по физическим наукам ИЯФ СО РАН (конференц-зал) 9:30, 10 сентября 2019г.
    417
  • 17/03/2017

    Сибирские физики создадут точнейшие атомные часы

    Ученые из Института лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирского государственного университета и из Новосибирского государственного технического университета разработали сверхстабильный лазер для атомных часов, который позволит российским физикам создать устройства для измерения времени, не уступающие в точности западным аналогам, говорится в статье, опубликованной в Journal of Physics: Conf.
    2289