Унікальні ефекти відгуку ультрахолодних газів атомів лужних металів у стані з бозе-ейнштейнівським конденсатом на збудження електромагнітним полем

У статті наведено деякі показові результати, пов’язані з явищем відгуку ультрахолодних квантових газів у стані з бозе-ейнштейнівським конденсатом. Показано, що на основі загального теоретичного підходу, запропонованого авторами, можна послідовно описати уповільнення сигналів не лише оптичного, а й...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2016
Hauptverfasser:	Слюсаренко, Ю.В., Сотніков, А.Г.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2016
Schriftenreihe:	Вісник НАН України
Schlagworte:	Статті та огляди
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/107367
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Унікальні ефекти відгуку ультрахолодних газів атомів лужних металів у стані з бозе-ейнштейнівським конденсатом на збудження електромагнітним полем / Ю.В. Слюсаренко, А.Г. Сотніков // Вісник Національної академії наук України. — 2016. — № 7. — С. 19-26. — Бібліогр.: 13 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-107367
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1073672016-10-19T03:02:51Z Унікальні ефекти відгуку ультрахолодних газів атомів лужних металів у стані з бозе-ейнштейнівським конденсатом на збудження електромагнітним полем Слюсаренко, Ю.В. Сотніков, А.Г. Статті та огляди У статті наведено деякі показові результати, пов’язані з явищем відгуку ультрахолодних квантових газів у стані з бозе-ейнштейнівським конденсатом. Показано, що на основі загального теоретичного підходу, запропонованого авторами, можна послідовно описати уповільнення сигналів не лише оптичного, а й мікрохвильового діапазонів до надзвичайно низьких показників групової швидкості. Явище сильного уповільнення електромагнітних хвиль може бути використане для детектування магнітних полів з високою точністю, дуже якісної фільтрації сигналів та більш детального вивчення особливостей енергетичного спектра атомів. Як іще один яскравий приклад можливого «курйозного» застосування проаналізовано принципову можливість прискорення релятивістських частинок ультрахолодними газами за наявності інверсної заселеності квантових станів. We demonstrate some peculiar results in the phenomenon of a response of ultracold quantum gases in the state with a Bose-Einstein condensate. It is shown that, basing on the general theoretical approach proposed by authors, it is possible to study not only slowing of optical but also microwave electromagnetic pulses to extremely low values of the group velocity. The phenomenon of ultraslow electromagnetic waves can be used for detection and precise measurements of magnetic fields, high-quality filtering of pulses and more detailed analysis of atomic spectra. As a remarkable example of a potential “curious” application, we analyze a principal possibility of acceleration of relativistic particles by ultracold gases in the presence of inverse occupancy of quantum states. 2016 Article Унікальні ефекти відгуку ультрахолодних газів атомів лужних металів у стані з бозе-ейнштейнівським конденсатом на збудження електромагнітним полем / Ю.В. Слюсаренко, А.Г. Сотніков // Вісник Національної академії наук України. — 2016. — № 7. — С. 19-26. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. 0372-6436 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/107367 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Статті та огляди Статті та огляди
spellingShingle	Статті та огляди Статті та огляди Слюсаренко, Ю.В. Сотніков, А.Г. Унікальні ефекти відгуку ультрахолодних газів атомів лужних металів у стані з бозе-ейнштейнівським конденсатом на збудження електромагнітним полем Вісник НАН України
description	У статті наведено деякі показові результати, пов’язані з явищем відгуку ультрахолодних квантових газів у стані з бозе-ейнштейнівським конденсатом. Показано, що на основі загального теоретичного підходу, запропонованого авторами, можна послідовно описати уповільнення сигналів не лише оптичного, а й мікрохвильового діапазонів до надзвичайно низьких показників групової швидкості. Явище сильного уповільнення електромагнітних хвиль може бути використане для детектування магнітних полів з високою точністю, дуже якісної фільтрації сигналів та більш детального вивчення особливостей енергетичного спектра атомів. Як іще один яскравий приклад можливого «курйозного» застосування проаналізовано принципову можливість прискорення релятивістських частинок ультрахолодними газами за наявності інверсної заселеності квантових станів.
format	Article
author	Слюсаренко, Ю.В. Сотніков, А.Г.
author_facet	Слюсаренко, Ю.В. Сотніков, А.Г.
author_sort	Слюсаренко, Ю.В.
title	Унікальні ефекти відгуку ультрахолодних газів атомів лужних металів у стані з бозе-ейнштейнівським конденсатом на збудження електромагнітним полем
title_short	Унікальні ефекти відгуку ультрахолодних газів атомів лужних металів у стані з бозе-ейнштейнівським конденсатом на збудження електромагнітним полем
title_full	Унікальні ефекти відгуку ультрахолодних газів атомів лужних металів у стані з бозе-ейнштейнівським конденсатом на збудження електромагнітним полем
title_fullStr	Унікальні ефекти відгуку ультрахолодних газів атомів лужних металів у стані з бозе-ейнштейнівським конденсатом на збудження електромагнітним полем
title_full_unstemmed	Унікальні ефекти відгуку ультрахолодних газів атомів лужних металів у стані з бозе-ейнштейнівським конденсатом на збудження електромагнітним полем
title_sort	унікальні ефекти відгуку ультрахолодних газів атомів лужних металів у стані з бозе-ейнштейнівським конденсатом на збудження електромагнітним полем
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2016
topic_facet	Статті та огляди
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/107367
citation_txt	Унікальні ефекти відгуку ультрахолодних газів атомів лужних металів у стані з бозе-ейнштейнівським конденсатом на збудження електромагнітним полем / Ю.В. Слюсаренко, А.Г. Сотніков // Вісник Національної академії наук України. — 2016. — № 7. — С. 19-26. — Бібліогр.: 13 назв. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT slûsarenkoûv uníkalʹníefektivídgukuulʹtraholodnihgazívatomívlužnihmetalívustanízbozeejnštejnívsʹkimkondensatomnazbudžennâelektromagnítnimpolem AT sotníkovag uníkalʹníefektivídgukuulʹtraholodnihgazívatomívlužnihmetalívustanízbozeejnštejnívsʹkimkondensatomnazbudžennâelektromagnítnimpolem
first_indexed	2025-07-07T19:52:01Z
last_indexed	2025-07-07T19:52:01Z
_version_	1837019087798009856
fulltext	ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 7 19 УНІКАЛЬНІ ЕФЕКТИ ВІДГУКУ УЛЬТРАХОЛОДНИХ ГАЗІВ АТОМІВ ЛУЖНИХ МЕТАЛІВ У СТАНІ З БОЗЕ-ЕЙНШТЕЙНІВСЬКИМ КОНДЕНСАТОМ НА ЗБУДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИМ ПОЛЕМ У статті наведено деякі показові результати, пов’язані з явищем відгуку ультрахолодних квантових газів у стані з бозе-ейнштейнівським конден- сатом. Показано, що на основі загального теоретичного підходу, запропо- нованого авторами, можна послідовно описати уповільнення сигналів не лише оптичного, а й мікрохвильового діапазонів до надзвичайно низьких по- казників групової швидкості. Явище сильного уповільнення електромагніт- них хвиль може бути використане для детектування магнітних полів з високою точністю, дуже якісної фільтрації сигналів та більш детального вивчення особливостей енергетичного спектра атомів. Як іще один яскра- вий приклад можливого «курйозного» застосування проаналізовано прин- ципову можливість прискорення релятивістських частинок ультрахолод- ними газами за наявності інверсної заселеності квантових станів. Ключові слова: бозе-ейнштейнівський конденсат, ультрахолодні кванто- ві гази, уповільнення та фільтрація сигналів, прискорення частинок. Вступ Здатність систем, які складаються з великої кількості частинок із бозе-статистикою, за певних умов перебувати в когерентному квантово-механічному стані (бозе-ейнштейнівський конден- сат — БЕК) була передбачена А. Ейнштейном ще у 1925 р. на основі ідеї Ш. Бозе. За 90 років дослідження, присвячені явищу БЕК, пройшли кілька знакових етапів [1, 2]. Досить тривалий час (майже 70 років після передбачення А. Ейнштейном!) існу- вання такого фізичного об’єкта з дивовижними властивостями, як бозе-ейнштейнівський конденсат, могло бути доведено лише за побічними ознаками, оскільки прямого експериментального спостереження явища не існувало. Наприклад, вважалося, що проявом БЕК на макроскопічному рівні є не тільки експери- ментально спостережені, а навіть застосовані у «народному господарстві» явища надплинності й надпровідності. СЛЮСАРЕНКО Юрій Вікторович — член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор, начальник відділу статистичної фізики та квантової теорії поля Націо наль- ного наукового центру «Хар ків- ський фізико-технічний інститут» НАН України (ННЦ ХФТІ) slusarenko@kipt.kharkov.ua СТАТТІ СТАТТІ ТА ОГЛЯДИТА ОГЛЯДИ doi: 10.15407/visn2016.07.019 СОТНІКОВ Андрій Геннадійович — кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник відділу статистичної фізики та квантової теорії поля ННЦ ХФТІ a_sotnikov@kipt.kharkov.ua 20 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (7) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Основний доказ справедливості теоретич- них розрахунків і передбачень — безпосереднє спостереження явища бозе-ейнштейнівської конденсації в газі атомів, став можливим лише в 1995 р. завдяки роботам двох експеримен- тальних груп із США. Команда під керівни- цтвом Еріка Корнелла (E.A. Cornell) і Карла Вімана (C.E. Wieman) з університету Боулде- ра (University of Colorado Boulder) та група Вольфганга Кеттерле з Массачусетського тех- нологічного інституту (Massachusetts Institute of Technology) незалежно одна від одної проде- монстрували цей ефект у парах атомів рубідію [3] та натрію [4]. Слід зазначити, що поставити такі експерименти стало можливим завдяки досягненням техніки лазерного охолодження та полонення атомів, що дозволило отримати необхідні наднизькі температури — порядку сотень нанокельвінів. Упродовж тривалого часу після цього тріум- фу експериментальні дослідження спрямовува- лися переважно на досягнення режимів БЕК в інших фізичних системах — в інших газах ато- мів лужних металів (і не тільки!), молекуляр- них газах і навіть у системах квазічастинок або фотонів у речовині. Крім того, велика кількість досліджень і справжня лавина публікацій екс- периментальних і теоретичних результатів була пов’язана з вивченням і передбаченнями цілої низки унікальних ефектів та явищ, пов’язаних із дивовижними властивостями систем із БЕК, а також із «пророцтвом» відносно майбутнього їх застосування в технічних приладах. На сьогодні, на думку багатьох учених-фі зи- ків, через свої оригінальні властивості конден- сат Бозе-Ейнштейна [1, 2] цілком заслуговує на його визнання як п’ятого особливого стану речовини (після твердого, рідкого, газоподіб- ного та плазми) і навіть включення його до ви- кладання основних понять у загальній системі освіти. Як уже йшлося вище, це зумовлено ці- лою низкою передбачених та нещодавно спо- стережених фізичних ефектів, по в’я за них із властивостями, аналогів яких немає у речови- ни в чотирьох інших станах. Такими ефектами, наприклад, є явища надплинності, надпровід- ності, квантові вихори, стрімкий колапс газів за наявності сил притягання між атомами, що зовні нагадує вибух наднової зорі, але в мікро- скопічних масштабах. На особливу увагу за- слуговують ефекти взаємодії таких систем з електромагнітними полями і насамперед яви- ще сильного уповільнення та «замороження» світла у бозе-ейнштейнівських конденсатах. Ці та інші унікальні феномени ми обговоримо в наступних розділах. Перші успішні експерименти з уповільнення світла в БЕК У 1999 р. було опубліковано результати експе- риментів [5], у яких спостерігали уповільнен- ня світла до швидкості 17 м/с, тобто майже у 20 млн разів (рис. 1). І це вдалося зробити не в якійсь дуже густій рідині чи кристалі, а на- впаки — у розріджених парах натрію. Ці роз- ріджені гази є практично прозорими для світла всього оптичного діапазону за винятком окре- мих частот, де світло резонансно взаємодіє з речовиною, ініціюючи переходи між внутріш- німи квантовими станами атомів. В області цих частот показник заломлення також близький до одиниці, але він дуже сильно залежить від частоти, тобто система має значну дисперсію (рис. 1). Це істотно впливає на групову швид- кість сигналу, оскільки чим більша дисперсія, тим сильніше уповільнюється сигнал. В об- ластях із сильною дисперсією зазвичай спо- стерігається значне поглинання сигналу, проте в експерименті цьому вдалося запобігти за до- помогою явища електромагнітно-індукованої прозорості [6]. Важливою необхідною умовою в експери- менті з уповільнення світла в газі є ультра- низькі температури, за яких цей газ перебуває у стані з бозе-ейнштейнівським конденсатом. При цьому всі атоми газу реагують зі світлом як єдине ціле, а не відокремлено чи маленьки- ми групами, як у звичайних матеріалах. Кіль- кість атомів у стані БЕК у сучасних експери- ментальних установках зазвичай налічує від часток мільйона до кількох десятків мільйонів, тому й ефект уповільнення посилюється про- порційно. ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 7 21 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Більш того, та сама експериментальна гру- па з Гарварда довела можливість «зупиняти» світло [5]. Для цього використовували додат- ковий лазер, який за потреби робить газ ато- мів прозорим чи непрозорим для основного лазера (явище електромагнітно-індукованої прозорості [6]). Далі, коли вже сигнал осно- вного лазера рухається крізь газ і дуже сильно сповільнюється, додатковий лазер вимикають і газ стає непрозорим. Сповільнене світло все- редині системи при цьому ефективно «вмо- рожується» у квантові стани атомів, оскільки поширюється воно тільки за наявності додат- кового лазера. Потім, через певний проміжок часу, додатковий лазер вмикають, внаслідок чого газ знову стає прозорим і світловий сиг- нал «визволяється». Теоретичний опис електромагнітного відгуку газів з БЕК Для того щоб послідовно і максимально точно описати подібні системи, необхідно залучати сучасні теоретичні підходи. Серед них доволі ефективним є метод вторинного квантування за наявності зв’язаних станів частинок, запро- понований у роботі [7]. Використовуючи нада- лі методи лінійної теорії відгуку та формалізм функцій Гріна [8], можна вивести загальну формулу для діелектричної проникності іде- альних розріджених квантових газів, що скла- даються з атомів (зв’язаних станів більш еле- ментарних частинок): 21 2 , ( ) ( )4 1 ( , ) 1 ( ) , ( ) ( ) f f k V E E i α β− αβ α β α β αβ − −πε ω ≈ + σ ω + − − + γ∑∑ p p k p k k p p k де σαβ — матричний елемент, пов’язаний з пере- розподілом густини заряду в атомі при перехо- ді атома з квантового стану α в стан β, що може бути спричинене зовнішнім електромагнітним полем з частотою ω та хвильовим вектором k. Зазначений матричний елемент можна запи- сати в термінах хвильової функції атомів, а це означає, що він є внутрішньою мікроскопіч- ною характеристикою окремих частинок, як і повна енергія атома Eα(p) з імпульсом p у стані α та природна ширина спектральної лінії γαβ. Іншою важливою складовою формули є бозе- ейнштейнівська функція розподілу fα(p) газу атомів (що займає у просторі об’єм V) з імпуль- сом p у стані α. Саме ці функції відповідальні за колективні ефекти відгуку системи на збу- рення зовнішнім електромагнітним полем, а також включають усі необхідні складові для точного аналізу поведінки системи за наявнос- ті стану з БЕК у атомів в окремих внутрішніх квантових станах. Рис. 1. Деталі експерименту з уповільнення світла: фотознімки атомної хмари у стані з БЕК, дисперсійні власти- вості та реєстрація уповільнення світла. Адаптовано з [5] 22 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (7) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Слід зазначити, що розроблений теоретич- ний опис побудовано в рамках лінійної теорії відгуку, яка справедлива за наявності слабкого збурення зовнішнім полем. Із цього приводу могли б виникнути певні сумніви у застосов- ності теорії в умовах, коли використовуєть- ся додатковий лазер, що забезпечує явище електромагнітно-індукованої прозорості [6]. Дійсно, цей лазер призводить до значного пе- рерозподілу атомів по квантових станах, тобто його інтенсивність не можна вважати малою в рамках теоретичної моделі. Однак у роботі [8] показано, що для явища значного уповільнен- ня світла у БЕК додатковий лазер не є клю- човою складовою. Такий лазер важливий на- самперед для реалізації явищ «замороження» та «звільнення» світла з атомної хмари. Проте слід зазначити, що недавно у роботі [9] було запропоновано інший можливий механізм «зу- пинки світла», як наслідок співіснування БЕК атомів і фотонів. Розроблений же теоретичний підхід [8] демонструє великий потенціал і до- зволяє дослідити багато важливих і вражаю- чих ефектів, притаманних квантовим газам у стані з конденсатом. Уповільнення мікрохвиль При детальному аналізі явища уповільнення сигналів оптичного діапазону з теоретичної точки зору є істотне обмеження. Резонансні лазерні сигнали налаштовують на переходи між атомними станами, що відрізняються ди- польними моментами. Атоми лужних металів в основному стані не мають дипольного моменту, але при взаємодії з резонансним випроміню- ванням такий момент може бути індукований завдяки наявності збуджених станів у спектрі. Атоми перебувають у таких внутрішніх станах дуже короткий час і перевипромінюють сигнал далі. Звісно, когерентний колективний стан атомів з БЕК дає змогу істотно зменшити ефек- ти дисипації, але час життя атомів у збуджених станах напряму впливає на групову швидкість сигналу. Отже, для існуючих на сьогодні експе- риментів з дослідження бозе-ейнштейнівської конденсації в парах лужних металів нижньою межею є групова швидкість сигналів оптич- ного діапазону порядку 100 м/с без викорис- тання додаткових лазерів [8] і порядку 10 м/с, якщо такі лазери використовують для забез- печення ефекту електромагнітно-індукованої прозорості [5]. Якщо подивитися на енергетичний спектр атомів лужних металів, то можна бачити, що вони мають також такі квантові стани, при пе- реході між якими дипольний момент атома не змінюється. Насамперед це рівні розщеплен- ня основного стану з урахуванням надтонкої структури, спричиненої взаємодією магнітних моментів ядра та валентного електрона. У цьо- му контексті важливим є те, що атоми в таких станах доволі легко експериментально утри- мувати в магнітних пастках і що час життя збу- джених станів надтонкої структури здебільшо- го набагато перевищує часові проміжки експе- риментів. Незважаючи на відсутність диполь- них моментів усіх рівнів надтонкої структури, розвинутий теоретичний підхід [8] дозволяє послідовно отримати поправки більш високих порядків для матричних елементів σαβ і кіль- кісно оцінити масштаб уповільнення електро- магнітних сигналів. Беручи як приклад розріджений газ атомів цезію у стані з БЕК та зовнішнє електромаг- нітне випромінювання мікрохвильового діа- пазону, налаштоване близько до резонансних переходів між квантовими станами надтонкої структури, сигнали можна сповільнити до зна- чень групової швидкості порядку 0,01 см/с [8]. Тобто це на чотири-п’ять порядків менше, ніж досягнуті та розраховані значення швидко- сті уповільнених сигналів оптичного діапазо- ну. Одним із вагомих факторів, що заважають прямому експериментальному спостереженню уповільнених мікрохвиль (наприклад, для це- зію резонансними є довжини хвиль, що при- близно дорівнюють 3,3 см) у парах з БЕК, є поки що замалі розміри атомних хмар (харак- терні довжини становлять порядку 1 мм за не- обхідності мати приблизно в 10 разів більші), але цей напрям досліджень є цілком реальним і перспективним для розвитку в майбутніх екс- периментах. ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 7 23 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Використання сповільненого світла для керування швидкістю світла та вимірювання магнітних полів Одним із яскравих прикладів використання явища уповільнення світла є можливість по- будови надчутливих детекторів магнітних по- лів. Наявність додаткового сталого магнітного поля приводить до так званого ефекту Зеєма- на — розщеплення рівнів залежно від магнітно- го моменту атомів. Отже, якщо енергія рівнів сильно залежатиме від напруженості зовніш- нього магнітного поля, то і бозе-конденсат у цілому може посилювати ефект за рахунок ко- лективних ефектів відгуку [10]. Як приклад, на рис. 2 зображено залежність енергії рівнів ато- мів натрію та залежність групової швидкості й інтенсивності пройденого крізь атомну хмару сигналу від напруженості магнітного поля. Ми бачимо, що, змінюючи напруженість лише на кілька гаусів (до речі, магнітне поле Землі становить 0,25—0,65 Гс залежно від міс- ця спостереження), можна змінювати швид- кість сигналів у кілька десятків разів. Тобто, розглядаючи обернену задачу, за часом затрим- ки сигналу, що пройшов крізь атомну хмару з БЕК, можна обчислювати з високою точністю (0,001 Гс або навіть менше) напруженості маг- нітних полів. Фільтрація оптичних сигналів за допомогою БЕК Сильну залежність характеристик пройдених сигналів від особливостей енергетичного спек- тра атомів можна також вдало використовува- ти для фільтрації електромагнітних сигналів. Важливою особливістю системи з БЕК є та обставина, що заздалегідь визначену частку (корисний сигнал із цілого пакета) вдається вилучити лише за одне-два проходження на- бору хвиль крізь атомні хмари з БЕК [11]. При цьому інтенсивність корисного сигналу знижу- ється лише на кілька процентів, що вважається дуже високою характеристикою серед наявних аналогів. Ідея такої фільтрації полягає у вико- ристанні явища сильного уповільнення світла в БЕК — оскільки різні частотні складові па- кета мають різну групову швидкість, то, при- ймаючи пройдений сигнал лише у вузький (за- здалегідь визначений) проміжок часу, можна легко відсікти, наприклад, слабко уповільнені складові, а також складові, що сильно погли- наються і розсіюються середовищем. Частотні характеристики швидкості та інтенсивності сигналу з початковим гаусівським профілем інтенсивності при першому та другому прохо- дженні показано на рис. 3. Рис. 2. Залежності резонансних частот переходів з лінійною поляризацією від сталого магнітного поля для атома натрію (а) та залежності характеристик сигналу, пройденого крізь атомну хмару атомів натрію у стані з БЕК (б) 24 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (7) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Звісно, такі методи фільтрації мають перева- ги не лише у зв’язку з високими показниками співвідношення сигнал/шум, а й з унікальніс- тю системи як такої, що високо цінується у ме- тодах захисту та передачі інформації (кванто- вій криптографії). Прискорення заряджених частинок атомними хмарами з БЕК Доволі оригінальним прикладом застосування ультрахолодних квантових газів є пропозиція їх використання для прискорення релятивіст- ських частинок. Для цього, як було встановлено у роботі [12], необхідно мати квантові стани з інверсною заселеністю — кількість частинок у деяких станах з більшою енергією повинна пе- ревищувати кількість частинок з меншою енер- гією, тобто таку саму заселеність, яка необхідна для роботи лазерів. Охолоджені атоми лужних металів також можна доволі вдало застосову- вати, бо вони мають рівні надтонкої структури основного стану з великим часом життя. Су- часний рівень експериментів з БЕК дозволяє готувати і контролювати гази у цих квантових станах із потрібною заселеністю. Надалі, охо- лодивши атомну хмару до стану з БЕК і маю- чи хоча б одну інверсну заселеність рівнів, за- ряджену частинку можна прискорювати, якщо вона рухається крізь атомну хмару із достат- ньою швидкістю. Цей феномен ґрунтується на релятивістському ефекті Черенкова і, попри деякі незвичності з точки зору звичайної термо- динаміки (адже енергія переходить від дуже хо- лодного до дуже гарячого об’єкта), не має про- тиріч, оскільки саме надлишкова енергія газу, запасена в інверсній заселеності, переходить до частинки, тоді як теплова енергія газу (що є надзвичайно низькою за цих умов) майже не змінюється. На рис. 4 як приклад зображено чо- тирирівневу систему в стані з БЕК, де можливе прискорення зарядженої частинки, що рухаєть- ся крізь атомну хмару зі швидкістю v = 0,99c, де c — швидкість світла у вакуумі. Слід зазначити, що останнім часом системи, що складаються з ультрахолодних газів з ін- версною заселеністю квантових станів, привер- тають ще більшу увагу в контексті від’ємних температур [13], що приводить до оригіналь- них наслідків при застосуванні в термодинамі- ці (але, звісно ж, не до вічного двигуна, попри спекуляції, що регулярно з’являються у псев- донаукових колах). Такі ефекти, безсумнівно, дають істотний поштовх для нових ідей щодо Рис. 3. Залежності часу затримки та профілю інтенсивності пройдених сигналів від частоти при проходженні крізь атомні хмари у стані з БЕК з різною напруженістю зовнішнього сталого магнітного поля: а — перше про- ходження, б — друге проходження ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 7 25 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ можливого застосування та новітніх техно- логій. Стосовно ж дослідженого ефекту Че- ренкова в газах з БЕК [12] слід зазначити, що додатково він є перспективним альтернатив- ним методом визначення натуральної ширини енергетичних рівнів (навіть за нормальної за- селеності), що й досі мало вивчено у випадку рівнів надтонкої структури основного стану більшості атомів лужних металів. Висновки У роботі розглянуто кілька показових прикла- дів застосування когерентної поведінки атомів (у стані з БЕК) при їх взаємодії із зовнішнім електромагнітним збуренням. Особливості внутрішньої енергетичної структури внаслі- док такої поведінки переходять від мікроско- пічних до макроскопічних масштабів, що надає можливість для спостереження унікальних ефектів. Наприклад, групова швидкість елек- тромагнітних сигналів може зменшуватися не в декілька разів, як у звичайних матеріалах, а в кілька мільйонів разів. Більш того, звичні параметри залежностей макроскопічних ха- рактеристик від магнітного поля та параметри фільтрації можна значно поліпшити завдяки вдалому застосуванню колективних ефектів. Розглянуті системи є також досить цікавими з точки зору незвичних термодинамічних влас- тивостей, коли високоенергетичні частинки, що проходять крізь атомну хмару за наднизь- ких температур, можуть додатково прискорю- ватися нею. Інтенсивність теоретичних і експеримен- тальних досліджень систем із бозе-ейн штей- нів ським конденсатом з року в рік зростає, що дає обґрунтовані надії на отримання най- ближчим часом нових чудових і «незвичних» результатів. Рис. 4. Залежності показника заломлення атомної хмари (атоми у трьох верхніх станах перебувають у БЕК, на нижньому рівні атоми відсутні) та залежності напряму й інтенсивності можливого обміну енергією між реляти- вістською частинкою і конденсатом. При заданій швидкості частинки (їй відповідає горизонтальна лінія на верх- ньому рисунку) можливе прискорення частинки без гальмування на інших резонансних переходах 26 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (7) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ REFERENCES 1. Pethick C.J., Smith H. Bose-Einstein Condensation in Dilute Gases. (Cambridge University Press, 2002). 2. Pitaevskii L.P., Stringari S. Bose-Einstein Condensation. (Clarendon Press, Oxford, 2003). 3. Anderson M.H., Ensher J.R., Matthews M.R., Wieman C.E., Cornell E.A. Observation of Bose-Einstein condensation in a dilute atomic vapor. Science. 1995. 269(5221): 198. 4. Davis K.B., Mewes M.O., Andrews M.R., van Druten N.J., Durfee D.S., Kurn D.M., Ketterle W. Bose-Einstein con- densation in a gas of sodium atoms. Phys. Rev. Lett. 1995. 75: 3969. 5. Hau L., Harris S., Dutton Z., Behroozi C. Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas. Nature. 1999. 397: 594. 6. Fleischhauer M., Imamoglu A., Marangos J.P. Electromagnetically induced transparency: Optics in coherent media. Rev. Mod. Phys. 2005. 77(2): 633. 7. Peletminskii S.V., Slyusarenko Y.V. Second quantization method in the presence of bound states of particles. J. Math. Phys. 2005. 46: 022301. 8. Slyusarenko Y., Sotnikov A. Green-function method in the theory of ultraslow electromagnetic waves in an ideal gas with Bose-Einstein condensates. Phys. Rev. A. 2008. 78(5): 053622. 9. Boychenko N.P., Slyusarenko Y. Coexistence of photonic and atomic Bose-Einstein condensates in ideal atomic gases. Condens. Matter Phys. 2015. 18(4): 43002. 10. Slyusarenko Y., Sotnikov A. Magnetic ordering of three-component ultracold fermionic mixtures in optical lattices. Phys. Lett. A. 2009. 373: 1392. 11. Slyusarenko Y.V., Sotnikov A.G. Feasibility of using Bose-Einstein condensates for filtering optical pulses. Low Temp. Phys. 2010. 36(8): 671. 12. Slyusarenko Y., Sotnikov A. Propagation of relativistic charged particles in ultracold atomic gases with Bose-Ein- stein condensates. Phys. Rev. A. 2011. 83(2): 023601. 13. Braun S., Ronzheimer J.P., Schreiber M., Hodgman S.S., Rom T., Bloch I., Schneider U. Negative absolute tempera- ture for motional degrees of freedom. Science. 2013. 339(615): 52. Стаття надійшла 05.02.2016. Yu.V. Slyusarenko 1, 2, A.G. Sotnikov 1, 2 1 Akhiezer Institute for Theoretical Physics, National Science Center «Kharkov Institute of Physics and Technology» (Kharkiv) 2 Karazin Kharkiv National University (Kharkiv) UNIQUE EFFECTS IN A RESPONSE OF ULTRACOLD ATOMIC GASES OF ALKALI-METAL ATOMS IN THE STATE WITH A BOSE-EINSTEIN CONDENSATE TO THE PERTURBATION BY AN EXTERNAL ELECTROMAGNETIC FIELD We demonstrate some peculiar results in the phenomenon of a response of ultracold quantum gases in the state with a Bose-Einstein condensate. It is shown that, basing on the general theoretical approach proposed by authors, it is possible to study not only slowing of optical but also microwave electromagnetic pulses to extremely low values of the group velocity. The phenomenon of ultraslow electromagnetic waves can be used for detection and precise measurements of magnetic fields, high-quality filtering of pulses and more detailed analysis of atomic spectra. As a remarkable example of a potential “curious” application, we analyze a principal possibility of acceleration of relativistic particles by ultracold gases in the presence of inverse occupancy of quantum states. Keywords: Bose-Einstein condensate, ultracold quantum gases, slowing and filtering of pulses, acceleration of particles.

Унікальні ефекти відгуку ультрахолодних газів атомів лужних металів у стані з бозе-ейнштейнівським конденсатом на збудження електромагнітним полем

Institution

Ähnliche Einträge