А.Н. Гончаров*, А.Э. Бонерт, А.М. Шилов и С.Н. Багаев
Институт Лазерной Физики СО РАН, просп. Лаврентьева 13/3, Новосибирск, 630090 Россия
По сравнению с интерферометрами на основе световых волн, атомные интерферометры, работающие на интерференции волн Де’Бройля нейтральных атомов, потенциально обладают большим многообразием возможных применений как в фундаментальных физических исследованиях, так и в различных прикладных задачах, таких как навигация и прецизионное позиционирование, метрология, геофизические исследования и т.д. Длина волны Де’Бройля для атомов даже охлажденных до температур порядка 1 мК (скорости атомов порядка 1 м/с) составляют величину порядка 10 нм, что существенно увеличивает чувствительность атомных интерферометров по сравнению со световыми. Охлаждение и захват атомов в магнито-оптическую ловушку (МОТ) позволяют существенно увеличить время взаимодействия атомов со световыми полями и тем самым увеличить чувствительность атомного интерферометра. Атомные интерферометры открывают новые возможности высокочувствительного и точного изучения свойств атомов, атомных столкновений, взаимодействия атомов с поверхностью и электромагнитными полями. При использовании резонансного взаимодействия света с атомами для расщепления и совмещения волн в интерферометре результат интерференции атомов может зависеть от частоты светового излучения и, в этом случае, возможно создание стандарта частоты на основе такого интерферометра. В настоящей работе исследуется возможность создания оптического стандарта частоты на основе атомного интерферометра с холодными и пространственно локализованными атомами магния.
В последнее десятилетие была открыта новая эра в области частотной/временной метрологии, связанная с развитием атомной оптики (лазерное охлаждение и локализация) и революционным прогрессом в прямой одноступенчатой сверхточной связи оптического и микроволнового диапазонов с использованием фемтосекундного синтезатора частот. В результате, впервые оптические стандарты частоты достигли относительной частотной погрешности, меньшей, чем у самых лучших первичных стандартах на основе фонтана атомов Cs [1,4]. Схема уровней щелочно-земельных элементов Mg, Ca, Sr и Yb, Hg
является наиболее подходящей для создания стандарта частоты на основе нейтральных атомов [2-6]. Наличие быстрого резонансного перехода 1S0-1P1 позволяет эффективно охлаждать и локализовать эти атомы, в тоже время как 1S0 - 3P0,1,2 переходы обеспечивают спектроскопический фактор добротности Q ~1014 - 1016. В случае локализации холодных атомов в оптических решетках на «магической» длине волны [7], стабильность и точность оптического стандарта частоты на их основе может превысить аналогичные параметры стандарта на основе одиночных ионов. На сегодняшний день наилучшие результаты среди
оптических стандартов на основе нейтральных атомов получены для Sr и Yb, при этом, основной вклад в погрешность частоты вносят сдвиги за счет теплового излучения и столкновений [4,5]. Хотя атом Mg является наименее разработанным среди щелочно-земельных элементов для частотной метрологии, существует большой интерес к исследованию магния [2] по следующим причинам. В отличие от других упомянутых выше щелочно-земельных атомов, внутренние электронные оболочки Mg полностью заполнены, что может упростить вычисления влияния различных физических факторов на сдвиги частоты «часового» перехода и уменьшить систематическую неопределенность частоты стандарта. Сдвиг частоты перехода 1S0 - 3P0 Mg за счет теплового излучения является самым маленьким среди щелочно-земельных атомов [8]. Для создания стандарта частоты на основе магния представляют интерес как переход 1S0 - 3P1 с естественной шириной линии 30 Гц, так и сверхузкие оптические переходы 1S0 - 3P2 и1S0 - 3P0. В случае использования перехода 1S0 - 3P0 многообещающим является использование метода магнито-индуцированной спектроскопии [9]. Магний является самым простым двухэлектронным атомом, для которого была
осуществлена локализация в магнито-оптической ловушке (МОТ). Представляет большой интерес исследование столкновений холодных атомов магния.
В работе представлены экспериментальные результаты по локализации и охлаждению атомов магния в магнито-оптической ловушке. При загрузке МОТ из теплового атомного пучка был получен ансамбль . 4.105 холодных T . 4 mК атомов магния. Представлены результаты по оптимизации параметров МОТ. Обсуждаются перспективы охлаждения атомов магния до температуры порядка T ~ 10 .К. Такая температура атомов позволит эффективно загружать «оптическую решетку» и реализовать оптический стандарт частоты с относительной неопределенностью ../. .10-16 - 10-18.
Работа выполняется при финансовой поддержке РФФИ (гранты №05-02-
16597 и №05-02-19645) и Сибирского Отделения РАН.
1. T. Rosenband, et al., Science 319, 1808 (2008).
2. J. Keupp, et al., Eur. Phys. J. D 36, 289 (2005); S.N. Bagayev, et al., Laser Physics11, 1178 (2001);
D.N.Madsen, et al., Appl. Phys. B75, 835 (2002).
3. U. Sterr, et al., C. R. Physique 5, 845 (2004).
4. A. D. Ludlow, et al., Science 319, 1805 (2008).
5. N. Poli, et al., http://aps.arxiv.org/abs/0803.4503v1.
6. H. Hachisu, et al., PRL100, 053001 (2008)
7. H. Katori, et al., PRL91, 173005 (2003).
8. S. G. Porsev and A. Derevianko, Phys. Rev. A 74, 020502(R) (2006).
9. A. V. Taichenachev et al., PRL96, 083001 (2006).
