В былые времена лазерный излучатель был строго научным прибором, занимал огромные помещения и требовал высочайшей квалификации обслуживающего персонала. Сегодня лазерной указкой может воспользоваться даже ребенок, а излучатель запросто поестится у него в руке.
Напрашиваются определенные аналогии с эволюцией компьютеров – от огромных жужжащих шкафов, поглощающих перфокарты, до беспроводных смартфонов, доступных каждому. Однако наряду с бытовыми компактными устройствами, больше предназначенными для развлечений, гигантские установки сегодня служат исключительно научным целям. Причем это справедливо как для лазеров, так и для электронно-вычислительных машин. А если совместить эти два компонента в единую систему, то получится мощная исследовательская лаборатория. Примерно такая, как в Объединенном институте высоких температур РАН, которой заведует наш сегодняшний собеседник – кандидат физико-математических наук Борис Борисович Зеленер.
Лаборатория чем-то напоминает операционную. Чистая сменная обувь или бахилы. Зачем? Здесь стоит лазер, который очень чувствителен к любым «возмутителям спокойствия». Поэтому – два кондиционера, которые круглогодично поддерживают постоянную температуру +1°. Пыли не должно быть много, и влажность должна быть умеренная. Над столом – специальный фильтр.
Главное, чтобы не было вибрации, поэтому стол стоит на гидравлических ногах, а специальная электроника отслеживает низкочастотные колебания. Если они возникают, специальный механизм дает в противофазе другие колебания, которые гасят первоначальные. Таким образом, можно точно стабилизировать излучение. Поверхность стола вся испещрена резьбовыми отверстиями, чтобы практически в любую точку можно было поставить световой фильтр, призму, зеркало, излучатель, диафрагму, вакуумную камеру с веществом, т.е. любое приспособление, так или иначе имеющее отношение к лазерному свету.
Всеми цветами радуги
Мы изучаем взаимодействие излучения с веществом: как влияет монохроматическое и когерентное излучение лазера на атомы лития. Смотрим, как происходит это сильное взаимодействие. Чем ближе к резонансу, тем интенсивнее взаимодействие лазера с веществом. У нас в лаборатории представлена установка с вакуумной камерой при давлении порядка 5 х 10-10 торра (один торричелли – это 1 мм ртутного столба, т.е. 1/760 атмосферы). Откачивание происходит при помощи ионных насосов.
Итак, есть вакуумная камера, в которой находится литий. Он испаряется при температуре 500°С, летит по узкой трубе, где ничего нет – все откачано. Навстречу ему светит резонансный свет, настроенный таким образом, чтобы его хватали только быстрые атомы из этого пучка. Атомы поглощают резонансные фотоны в лоб, а испускают во все стороны равновероятно. Кроме того, при изменении скорости атомов его линию в резонанс подстраивают изменением постоянного магнитного поля, которое находится в зеемановском замедлителе. Это труба, на которую накручена катушка переменного радиуса – от большого поля до маленького в конце этой метровой прямой. В начале скорость движения атомов – 50 км/с, а на конце этой трубы атомы замедляются до скорости 50 м/с в результате взаимодействия с красным лазером длиной волны около
671 нм.
Затормозившие атомы влетают в центр камеры с множеством прозрачных окон. На вакуумной камере сверху и снизу стоят две магнитные катушки. Ток в них закручен в разные стороны, поэтому в центре камеры поле – 0, а дальше от центра магнитное поле растет. Через окна в центр вакуумной камеры со всех шести сторон светят лазеры, которые захватывают атомы лития и охлаждают их до температуры 10"4 К. При этой температуре появляется красный шарик размером 3-4 мм, в котором скорость атомов не превышает около 1 м/сек. Это так называемые ультрахолодные атомы, которые все время колеблются с определенной частотой. Их мы и хотим изучать.
Недавно мы приобрели уникальную лазерную систему, похожую на поезд. Первый лазер – твердотельный – имеет зеленый цвет и частоту 533 нм при мощности 15 Вт. Дальше зеленый луч попадает в лазерный блок с кристаллом титан-сапфира, который преобразует зеленый цвет в красный с длиной волны 700 нм. Этот лазер очень широко перестраивается и имеет высокую стабильность. Потом идет блок дальнейшей стабилизации, а затем блок превращения лазера из красного в ультрафиолет 350 нм, где происходит удвоение частоты.
Затем этот ультрафиолетовый лазер попадает в красный шарик, он переводит эти атомы из состояния охлаждающего перехода на очень высокий уровень возбуждения.
Есть понятие ридберговского вещества, которое предложил доктор физико-математических наук, профессор Эдуард Анатольевич Маныкин в 1981 г. Что это такое? У атомов есть основное состояние, есть первое возбужденное, есть второе, а есть сотое возбужденное или тысячное. Такие атомы можно наблюдать в космосе, где большой вакуум, и можно – у нас в камере.
Наш ультрафиолетовый луч соответствует именно таким фотонам, которые нужны, чтобы перевести электроны в верхнее возбужденное состояние. В результате эти атомы становятся огромными, размером порядка микрона. Наша установка уникальна тем, что позволяет произвести их в очень большом количестве и делать это в непрерывном режиме.
Дальше они друг с другом соприкасаются и, по предсказаниям, должны выстраиваться в кристаллическую решетку, но на очень больших расстояниях. Этот эффект теоретически нами предсказан, но еще не получен. И вот мы его ищем.
Антивещество
Очень интересное направление развития этой тематики – получение антивещества. Дело в том, что в CERN сейчас получают антивещество: получили антиводород, правда, в количестве нескольких десятков атомов. Хочется получить больше и захватить. У них магнитные ловушки, а мы хотели бы захватить его в магнито-оптические ловушки, чтобы антивещество можно было увидеть невооруженным глазом.
Что нее такое антиводород? Антиводород – это полная противоположность водороду. Нужно исходить из понятия, как наш мир устроен. Есть четыре вида материи. Первый – это вещество, которое нас окружает. Оно имеет четыре агрегатных состояния: твердое тело, жидкость, газ, плазма; и, возможно, есть пятое агрегатное состояние – что-то наподобие структурированной плазмы, или вещества из возбужденных атомов. Этого еще никто не видел, но мы его ищем. Второй – это то, что передает информацию, взаимодействие между отдельными атомами вещества: это электромагнитная волна или свет. Он состоит из фотонов.
Третий вид – это антивещество. Оно отличается от вещества только зарядом. Например, если электрон имеет отрицательный заряд, то позитрон имеет точно такой же, но положительный. Второе свойство: когда позитрон встречает электрон, происходит аннигиляция. Все вещество, вся масса переходит по формуле Эйнштейна в свет. Возможен и обратный процесс. Четвертый вид материи – это вакуум, в который погружена вся Вселенная. Он все пронизывает, но это не «ничто», а вещество с антивеществом вместе. Если мы в маленький участок пространства вложим гигантскую энергию, равную массе частиц, которые должны родиться, то вакуум рвется именно на вещество и антивещество.
Это происходит в CERN, на коллайдере. У них есть специальный источник антипротонов, получающихся в результате столкновений тяжелых частиц. Энергии там очень много в малом пространстве. Вакуум рвется, вылетают всевозможные частицы. Рождаются антипротоны и протоны, электроны и позитроны, другие частицы. Их ловят специальными детекторами. Как только антивещество попадает на стенку, оно сразу излучает. Поэтому антивещество можно держать только в вакуумной камере.
Вещество и антивещество зеркально симметричны. Свойства у них абсолютно одинаковые. Единственное, что нужно, – глубокий вакуум, чтобы он не соприкасался с веществом. Главное – удалить побольше вещества, чтобы его практически не было, и получить много антивещества. Нужно создавать большие установки. Сейчас этим занимается лаборатории ALPHA и ATRAP в CERN, в Швейцарии, а в 2020 г. большую установку FAIR должны построить вДармштадте, в Германии. Мы участвуем в этом проекте. Там основная цель – получение антиводорода в магнитно-оптической ловушке. Он будет светиться ультрафиолетом.
Мы также работаем вместе с Нильсом Мадсеном. Он возглавляет лабораторию ALPHA в CERN. Они занимаются получением антиводорода. Берут антипротоны из ускорителя и смешивают с позитронами. Позитрон можно получить в результате реакции распада радиоактивного калия. Смешивают их в магнитном поле, где; создают магнитную ловушку, в которой и пытаются их смешать. Позитроны должны сесть на орбиты, т.е. происходит обратный процесс: мы возбуждаем, а там они, наоборот, оторваны и снова садятся. Из-за того, что там сильное магнитное поле – порядка 3 Тл, электрон осциллирует по ларморовскому радиусу и ему сложно садиться на орбиту. Мы хотим придумать способ, как этот электрон туда посадить, несмотря на магнитное поле. Это следующая установка. В ней будет создаваться большое магнитное поле, которое мы будем получать при помощи сверхпроводящих магнитов.
Итак, резюме: антивещество – это способ создать очень много энергии в крайне малой массе. Трех миллиграммов антивещества хватит, чтобы долететь до Марса. Это суперкалорийное топливо.
Основная проблема космонавтики в данный момент заключается в том, что больше двух третей ракеты составляют двигатели и топливо, и этого хватает лишь на то, чтобы выкинуть ракету на орбиту. Нет смысла говорить о полете хотя бы до ближайшей звезды, потому что нет хорошего топлива. А антивещество – один из способов получения супертоплива.
Творцы будущего
Теоретические исследования – это прекрасно, но какова практическая польза от всего этого?
Сейчас сильно развивается направление квантовых компьютеров. Дело в том, что, умея манипулировать состояниями атомов (причем мы изучаем коллектив таких атомов), можно создать компьютер на основе так называемых спутанных состояний взаимодействующих атомов. Скорость одного такого компьютера (если он будет создан) сравнима или даже превосходит по скорости все вместе взятые компьютеры на Земле. Но квантового компьютера пока еще не существует – это будущее. Однако умение манипулировать отдельными атомами – заставлять их находиться в разных квантовых состояниях и взаимодействовать – позволит сделать такой компьютер. Мы этим тоже занимаемся.
Еще одно применение: раз мы можем манипулировать атомами, значит, мы можем их укладывать на подложке в произвольном порядке и делать, например, наноробо-тов. Это субнанотехнологии: манипуляции производятся с отдельными атомами при помощи света.
Очень важное направление – стандарты частоты. Спутник, который висит на орбите, и приемник-передатчик, располагающийся на Земле, находятся в разных гравитационных состояниях, и поэтому время у них идет по-разному. Чтобы синхронизировать это время, необходимы стандарты очень точного времени. Механические часы здесь не подходят, поэтому используются атомные часы. Все построено на схеме насыщенной спектрометрии, на газе атомов, например рубидия или цезия. Вы видите спектр поглощения, по этим спектрам можно стабилизировать лазерное излучение и получать точное время. Секунда представляет собой интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Это универсальный закон природы, он всегда выполняется, где бы вы ни находились. Используя законы природы, можно очень точно измерять время.
Интересное направление – квантовая криптография. Можно квантовым образом так зашифровать эти состояния, что никто не сможет без ключа открыть: работы нашим компьютерам на миллиарды лет, чтобы взломать этот код. Секретные службы очень интересуются этим направлением.
Еще квантовая оптика связана с телепортацией. Она получена экспериментально, но надо понимать, что такое телепортация. В одном месте меняете квантовое состояние, и в двух других местах одновременно это состояние тоже меняется. Получается вроде бы мгновенный процесс, но от источника, который поменял эти два состояния, информация идет со скоростью света, просто она приходит одновременно туда и туда. Вы можете менять состояние у двух частиц, которые находятся в разных концах Вселенной, если они в квантовом состоянии. Если поменяли состояние в одном месте, то в двух других оно сразу изменится тоже. Это и есть телепортация.
Подготовил Виктор Фридман
Источник «В мире науки»
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии