Laser optyczny to urządzenie emitujące spójną wiązkę światła. Laser atomowy to – analogicznie do lasera optycznego – urządzenie emitujące wiązkę atomów będącą spójną falą materii. Jak mówi dr Kawalec, "taka wiązka atomów jest też, używając analogii z laserem optycznym, bardzo +jasna+ (a zatem – gęsta). Laser atomowy, poza badaniami podstawowymi, będzie najprawdopodobniej wykorzystany do budowy ulepszonych interferometrów atomowych, do realizacji układów holografii atomowej, czy też w nanolitografii. Przy konstrukcji lasera atomowego wykorzystuje się proces chłodzenia grupy takich samych atomów w fazie gazowej, prowadzący – w bardzo niskiej temperaturze w okolicy zera bezwzględnego i przy spełnieniu szeregu warunków – do powstania tak zwanego kondensatu Bosego-Einsteina".

Jak podkreśla dr Tomasz Kawalec, jest to bardzo ciekawy stan materii, w którym w skali makroskopowej obserwuje się kwantowe właściwości materii, normalnie obserwowane jedynie w skali mikroskopowej. "W szczególności – wszystkie atomy w kondensacie są opisywane przez jedną, wspólną funkcję falową, a więc są reprezentowane przez jedną, wspólną falę materii. Aby uzyskać spójną wiązkę atomów, należy zatem stopniowo uwalniać atomy z kondensatu, w sposób impulsowy lub prawie-ciągły, nie niszcząc przy tym ich spójności" – dodaje naukowiec.

Aby jednak w pełni wykorzystać zalety wiązki atomów emitowanej przez laser atomowy, trzeba precyzyjnie kontrolować jej parametry, a w tym – kierunek propagacji, który w dotychczasowych realizacjach był wyznaczany głównie przez grawitację.

Jak zauważa dr Kawalec, do kierowania ruchem wiązki atomów można wykorzystać tak zwaną optyczną siłę dipolową, która działa na atomy znajdujące się w skupionej wiązce światła laserowego o dużym natężeniu. Jeśli wiązka laserowa jest odstrojona ku czerwieni od przejścia rezonansowego w atomach, atomy są przyciągane do obszaru dużego natężenia światła. A zatem atomy mogą się prawie swobodnie poruszać wzdłuż wiązki laserowej, ale ich ruch jest ograniczony w kierunkach prostopadłych do kierunku wiązki światła. Można tu wprowadzić pewną analogię pomiędzy światłem propagującym się w światłowodzie i wiązką atomów propagującą się w takim optycznym falowodzie.

"Należy pamiętać, że nazwa +laser atomowy+, jakkolwiek powszechnie przyjęta, jest nieco myląca. Nazwa +laser+ jest bowiem akronimem, oznaczającym +wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania+, a zatem odnosi się jedynie do fal elektromagnetycznych. Jednak pewne podobieństwa w procesie przygotowania i emisji spójnej wiązki fotonów oraz atomów spowodowały, że nazwa laser przyjęła się też dla urządzenia emitującego materię w sposób spójny" - mówi dr Tomasz Kawalec.

Eksperymentalne i teoretyczne badania nad kontrolowaniem ruchu atomów są prowadzone także w Polsce. Doświadczalną stroną chłodzenia atomów zajmują się naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie, Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu (w ramach Krajowego Laboratorium FAMO) oraz fizycy prowadzący badania na Uniwersytecie Warszawskim. Dr Tomasz Kawalec zajmuje się, w grupie prof. Tomasza Dohnalika w Zakładzie Optyki Atomowej Instytutu Fizyki UJ, modyfikowaniem ruchu atomów w tak zwanym dipolowym optycznym lustrze atomowym.

"Układ ten umożliwia zarówno prowadzenie badań fundamentalnych, a w szczególności – obserwację efektów przewidywanych jedynie w mechanice kwantowej, badanie oddziaływania zimnych atomów i powierzchni dielektrycznych, jak też i zastosowawczych – w kierunku skonstruowania efektywnej mikroplatformy, wiążącej w kontrolowany sposób światło i atomy tak, aby można było w niej wykonywać obliczenia kwantowe" – relacjonuje dr Tomasz Kawalec.

PAP - Nauka w Polsce, Elżbieta Zielińska

bsz