Российские физики определили «невидимую» длину волны для атома тулия

Группа физиков из Московского физико-технического института (МФТИ), Российского квантового центра (РКЦ), Физического института имени Лебедева РАН (ФИАН), МГТУ имени Баумана и Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) экспериментально определила длину волны, при которой поляризуемость атома тулия в основном состоянии равна нулю. Исследование направлено на разработку квантового симулятора на атомах тулия в оптической решетке — периодической структуре, формируемой пересекающимися лазерными лучами.

Зачем нужна нулевая поляризуемость

Тулий — редкоземельный металл (Tm). В экспериментах используют облака отдельных атомов, охлажденных почти до абсолютного нуля. Такие атомы рассматривают как управляемые квантовые объекты. В квантовом симуляторе важно уметь перемещать отдельные атомы внутри решетки, не задевая соседние. Обычно для этого применяют оптический пинцет — сильно сфокусированный лазерный луч, захватывающий и переносящий атом. Однако луч пинцета может взаимодействовать с другими атомами, нарушая их положение.

Решение — подобрать такое излучение, для которого атомы в решетке имеют нулевую поляризуемость и практически не «замечают» свет. Атом, который нужно переместить, переводят в возбужденное состояние — в нем он ощущает излучение пинцета. Таким образом, пинцет захватывает и передвигает только подготовленный атом, не воздействуя на остальные.

Как нашли «волшебную» длину волны

Ученые применили комбинацию теоретических расчетов и экспериментов. Сначала они рассчитали, как поляризуемость атома тулия меняется вблизи 576 нанометров, и предсказали длину волны, где она станет нулевой. Затем физики охладили атомы тулия и поместили их в оптическую дипольную ловушку, созданную двумя лазерными пучками: один — вспомогательный, второй — с длиной волны около 576 нм. Меняя длину волны и поляризацию света, они наблюдали за поведением атомов и измеряли частоты колебаний атомного облака, чтобы определить поляризуемость.

Главная сложность, по словам Алексея Акимова, доцента кафедры РКЦ в МФТИ, заключалась в поиске нуля. В одних областях поляризуемость была положительной — атомы удерживались, в других — отрицательной, и атомы начинали выталкиваться. Исследователи использовали два метода детектирования, чтобы восполнить пробелы в данных. В итоге они установили, что при длине волны 575,650 нм атомы исчезали из пересеченной оптической ловушки, что указывало на переход к отрицательной поляризуемости. С высокой точностью была определена длина волны нулевой поляризуемости: 575,646 нм с погрешностью ±0,004 нм.

«Это означает, что мы знаем, куда настраивать лазер в будущем, и можем построить интересную нам машину, — пояснил Алексей Акимов. — Точность до третьего знака после запятой нужна для того, чтобы даже при небольшом отклонении от нуля остаточная поляризуемость была много меньше других, используемых для удержания атомов, и не мешала работе».

Результаты работы могут найти применение в квантовых симуляторах, оптических ловушках и прецизионных измерениях. Точное определение «невидимой» длины волны дает физикам новый инструмент управления светом и открывает путь к более тонкому и селективному управлению атомами в оптических решетках.