Атом является одним из самых точных измерителей, которые можно придумать. Во-первых, мы более-менее точно знаем, как он взаимодействует с различными полями — с электрическим, с магнитным, и это достаточно простая система, чтобы квантовая механика практически на уровне студентов второго-третьего курса могла точно описать, что будет происходить с уровнями энергии в атомах. При этом атомы удобно использовать для измерений, потому что можно сделать очень маленькие сенсоры. Именно потому, что атомы так хорошо описаны и так чувствительны, их в принципе очень хорошо использовать для измерения, например, магнитного поля или времени.
Кроме того, измерения очень удобно делать с помощью лазеров, в первую очередь неинвазивные измерения, когда просто светим светом. Лазер легко производить, их сейчас существует огромное количество, включая очень маленькие и экономичные, их очень легко детектировать, потому что сейчас разработаны замечательные фотоприемники. Таким образом, это очень логично — пытаться использовать атомы вместе с оптическими измерениями, чтобы сделать точные оптические приборы. В частности, с точки зрения измерения магнитного поля и каких-то стандартов частоты очень хорошо работать с состояниями атомов, у которых состояние электрона одно и то же, но меняется направление спина этого электрона.
Мы работаем с атомами щелочных металлов — это атомы, которые по своей структуре очень похожи на атом водорода, то есть у атома водорода есть один электрон, который вращается вокруг ядра, у этого электрона есть спин, определяющий, каким образом этот атом взаимодействует с магнитным полем, у этого спина может быть направление либо вверх, либо вниз, которое дает два понятных уровня у электронных состояний.
Мы работаем с атомами рубидия, который немного сложнее, чем водород, но в принципе практически такой же. У нас есть какое-то количество электронов, есть один электрон, с которым взаимодействуют оптические поля. Но проблема в том, что, если мы хотим менять состояния этого электрона с помощью оптического поля, мы будем менять еще и уровень энергии. Почему это плохо? Потому что уровень энергии, который не основной у этого электрона — если мы его возбуждаем в какие-то более высокие уровни, они очень недолго живут. Есть спонтанное излучение, и, если даже электрон попадает в это более высокое состояние, он очень быстро оттуда исчезает и излучает спонтанный свет, который мы можем даже и не увидеть.
Таким образом, для того чтобы делать максимально точные измерения, мы очень хотим работать именно со спиновыми состояниями, которые очень долго живут, с которыми можно долго работать. А поскольку они долго живут, они еще и очень чувствительные, мы можем очень долго мерить их и, соответственно, увеличить чувствительность измерений.
Что мы используем для того, чтобы работать со спиновыми состояниями? Мы используем эффект, когда мы работаем не с одним оптическим полем, а с двумя. И в этом случае взаимодействие не просто перевод электрона в возбужденный верхний уровень, а как бы одно оптическое поле его туда заносит, а второе сбавляет вниз. Таким образом, мы переходим между двумя спиновыми состояниями электрона, притом что сам электрон на самом деле никогда не попадает в верхние состояния. Эта ступенька — это как бы магия квантовой механики: на самом деле он перепадает из одного состояния в другое, как бы пропуская промежуточное состояние. Чем хорошо это состояние? Оно очень чувствительно к магнитному полю. Если, например, мы меняем магнитное поле, то при определенной частоте увидим, что пропускание света резко возрастает, причем действительно очень резко. Если мы не подберем эту частоту, она будет чем-то отличаться от частоты энергии между двумя спиновыми состояниями — весь свет будет поглощаться и теряться в качестве спонтанного излучения. А вот если мы подберем частоту очень правильно, практически весь свет или очень большое количество света будет проходить.
В этом случае мы сможем, допустим, меняя частоту между оптическими полями, очень точно определить, какая разница частот между этими атомными уровнями.
А эта частота будет определяться магнитным полем.
Если магнитное поле будет нулевым, мы сможем померить один резонанс пропускания. Эта частота будет фиксирована и будет определяться структурой атома. А если мы приложим магнитное поле, вместо этих двух четких уровней возникнет несколько, мы сможем померить разницу между этими резонансами и увидим, что пропускание наступает при некоторых частотах, а разница между этими пиками будет пропорциональна магнитному полю.
Таким образом, мы сможем померить магнитное поле. Почему это становится важным? Потому что теперь, если мы можем исследовать этот переход, мы сможем точно мерить энергетические состояния между разными магнитными уровнями, используя только оптическую систему. Это позволяет сделать гораздо более компактный прибор, потому что, если я попытаюсь напрямую мерить это расстояние, оно будет соответствовать электромагнитному полю с частотами примерно несколько гигагерц, а то и больше. Это будет означать, что мне нужно использовать микроволновую электронику, достаточно большие приборы, которые потребуют больше энергии. А если мы будем использовать определенные лазеры, то сможем генерировать все оптические поля, которые мы хотим, используя один маленький лазер.
И таким образом, просто отслеживая, при каких частотах модуляции мы наблюдаем максимальное пропускание, мы сможем мерить магнитное поле. Более того, если мы прикладываем магнитное поле, может появиться большое количество этих резонансов, то есть оно определяется внутренней структурой атома. Например, мы работаем с атомами рубидия и можем в зависимости от того, куда направлено магнитное поле, получить до семи резонансов пропускания, то есть иногда их будет два, иногда три, а иногда может быть целых семь.
Если смотреть на распределение амплитуд этих полей, мы сможем увидеть, что эти амплитуды как отпечатки пальцев — они индивидуальны в зависимости от направления магнитного поля по отношению к поляризации света. Таким образом, мы сможем определить не только величину, но и направление магнитного поля. Более того, если мы вместо обычного фотоприемника, который скажет нам, какая интенсивность поля, поставим видеокамеру, мы сможем еще и отлавливать, в каких точках лазерного пучка в какой момент времени наблюдается максимальное пропускание.
Таким образом, если мы, например, во времени будем менять модуляционную частоту, то сможем во времени определить, в какой точке и когда наступило максимальное пропускание и в какой точке какое магнитное поле. Мы уже будем получать не просто среднюю величину и направление магнитного поля, а мы сможем делать его более локальным. В частности, мы уже видели, что можно это делать на двухмерном пучке, когда среда, которую мы используем, больше на блинчик похожа, и, если мы его засвечиваем, мы можем получить как бы карту магнитного поля.
Одна из вещей, которую мы бы очень хотели сделать, — это попробовать получить трехмерное поле — если мы засвечиваем лазерный свет с двух сторон, получаем дополнительную информацию и можем померить это. Что особенно приятно, над этим проектом мы работаем совместно с российскими учеными из Новосибирска и из Троицка под Москвой. Будем надеяться, что такой международный проект, может быть, приведет к удачным приборам.
