В воздухе при комнатной температуре атомы и молекулы хаотически движутся в различных направлениях с характерной тепловой скоростью порядка 500м/с. Исследовать частицы по отдельности невозможно - слишком быстро они покидают выбранную для наблюдения область. Охлаждая газ, можно уменьшить тепловые скорости, однако неизбежная конденсация газа - сначала в жидкую фазу, затем в твердую, - сближает атомы и молекулы до тесного контакта друг с другом, что снова не позволяет проводить эксперименты с отдельными частицами.

Не допустить конденсации в жидкость или замерзания можно, охлаждая достаточно разреженный газ (атомные и молекулярные пучки в вакууме), но даже при температуре, скажем, -270^оC характерные скорости молекул все еще велики: около 50 м/с. Значительное замедление атомных частиц достигается только вблизи абсолютного нуля температуры (-273 ^оС). Например, тепловая скорость атомов водорода при температуре в одну миллионную часть градуса (1мкК) - около 20 см/с.

Мысль использовать лазерное излучение для торможения нейтральных частиц в пучках возникла в середине 70-х годов. Физическая причина торможения пучка при его встречном облучении светом определенной частоты ясна: это - закон сохранения импульса. Идея и схема лазерного "охлаждения" нейтральных атомов была вынесена на обсуждение Т.Хэншем и А.Шавловым в 1975 г. Они предлагали облучать атомарные газы при комнатной температуре со всех сторон лазерным светом с частотой, меньшей того значения, при котором фотон поглощается покоящимся атомом. В таком случае атом, который движется навстречу лазерному лучу, вследствие эффекта Допплера приобретает способность резонансно поглотить фотон. В результате этого атом переходит в возбужденное состояние, но теряет скорость, восприняв импульс фотона. Возвращение в основное состояние происходит за короткое время (сотни мкс) благодаря спонтанному излучению, которое из-за своей изотропии приводит лишь к хаотизации движения атома. Конечно, наличие у линий радиационной ширины позволяет атому поглощать также и фотоны, летящие в попутном направлении, однако различие в сечениях поглощения для фотонов встречного и попутного лазерных лучей порождает в среднем тормозящую силу.

Заметного охлаждения атомов таким способом можно добиться, только "удерживая" резонансные условия по мере уменьшения скоростей частиц. Хэнш и Шавлов предлагали перестраивать частоту лазеров, что по тому времени представлялось довольно фантастичной, технически нереализуемой идеей. Описанный способ охлаждения атомов лазерным излучением позднее стал называться допплеровским (Doppler cooling). В 1977 г. российские физики В.С.Летохов, В.Г.Миногин и Б.Д.Павлик опубликовали теоретическую работу, в которой рассмотрели процесс торможения двухуровнего атома светом лазера и показали, что охлаждение таким способом возможно до температур не ниже значения, названного допплеровским пределом. Эта оценка давала не столь уж низкие значения: например, для атомов натрия TDL=240 мкК. В последующие годы работы по лазерному охлаждению атомов предприняли несколько экспериментальных групп, но приблизиться к температурам близким к TDL не удалось ни одной из них.

Прорыв в микроградусную область температур начался с середины 80-х годов, когда С.Чу с коллегами в лаборатории Белл реализовал трехмерное допплеровское охлаждение атомов натрия до температуры 240 мкК. Использовалась схема с шестью попарно встречными лазерными лучами, которые пересекались под прямыми углами в зоне охлаждения атомов пучка, предварительно заторможенного с помощью отдельного лазера в одномерной геометрии. Замедленный атомный пучок направлялся в область пересечения лучей охлаждающих лазеров, где атомы за короткое время приходили в стационарное состояние, совершая далее диффузионное движение с характерными скоростями 20 - 30 см/с. В объеме 0.1 с собиралось облачко из 107 - 108 атомов, которое выглядело как ярко светящаяся горошина. В этом облачке атомы двигались, как в густой вязкой жидкости, что дало повод назвать такое движение плаванием в оптической патоке (optical molasses). Достигнутая в эксперименте Чу температура отвечала "допплеровскому квантовому пределу" охлаждения двухуровневых атомов в лазерном поле. Атомы были охлаждены, но не захвачены: земное притяжение выводило их из оптической патоки за время около 1с. Для локализации атомов в ограниченной области пространства требовалась ловушка. Поиски были недолгими: подходящим кандидатом для удержания холодных атомов оказался "зеемановский замедлитель" У.Д.Филлипса. Его группа с начала 80-х годов вела поиски возможности магнитного торможения атомов в пучках, предварительно замедленных встречным лазерным лучом, с целью добиться их полной остановки. Использование катушек для создания неоднородного магнитного поля с направлением и градиентом вдоль оси пучка позволяло получить расщепление энергетических уровней (эффект Зеемана), расстояние между которыми достигало минимума в точке с наименьшей индукцией. Замедление атомов фотонами луча лазера фиксированной частоты происходило благодаря "подстройке" частоты атомного перехода по мере перемещения частиц в область с минимумом магнитного поля. В своей установке Филлипс охладил атомный пучок до температуры 0.07 К (1982 г.). Использование ловушки открыло возможности для дальнейшего охлаждения захваченных холодных атомов и преодоления допплеровского предела - первого рубежа на пути к микроградусам.

Когда Чу сумел охладить атомы в оптической патоке, Филлипс довольно быстро повторил этот эксперимент, а затем начал систематическое изучение холодных атомов в патоке, дополняя экспериментальную установку своими магнитными катушками. В 1987 г. он добился удержания атомов в оптической патоке, скомпенсировав гравитационное падение магнитной силой, действующей на атомы в неоднородном поле. Так была реализована ловушка, названная магнито-оптической (Magneto-Optical Trap, MOT). "Ограждение" в такой ловушке с градиентным полем невысокое, поэтому в ней могут удерживаться только самые холодные атомы. Задавшись целью точно определить температуру ансамбля захваченных атомов, Филлипс испробовал несколько новых измерительных методов, в одном из которых гравитационное падение атомов не только не мешало проведению измерений, а наоборот - помогало. Наблюдая с помощью отдельного лазера падение атомов вслед за выключением магнитного поля и облучающих патоку лазеров, он сумел проследить их траектории. В 1988 г. Филлипс установил, что температуру атомов натрия в ловушке можно опустить до 40 мкК, что в шесть раз ниже того значения, которое рассматривалось ранее как минимальное при допплеровском охлаждении. Для объяснения этого парадокса пришлось искать качественно новую причину, так как результат сомнения не вызывал. В 1989 г. группы Коэн-Таннуджи и Чу одновременно опубликовали две независимые работы, в которых глубокое охлаждение ниже TDL объяснялось изменением поляризации лазерного света от точки к точке в области пересечения лучей. Предложенный механизм был назван охлаждением благодаря градиенту поляризации (cooling due to polarization gradient). Он может реализоваться в системе атомов, для которых состояния, отвечающие оптическим переходам, вырождены или имеют магнитную структуру. Механизм же допплеровского охлаждения в чистом виде работает, если основное состояние невырождено. Таким образом, полученная ранее оценка TDL отвечала упрощенной модели и требовала пересмотра с более реалистических позиций.

Вот тогда очень кстати оказались теоретические расчеты различных усложненных схем охлаждения, проведенные к этому времени в Париже группой К. Коэн-Таннуджи. Объяснить результат Филлипса удалось, исходя из особенностей структуры низших энергетических уровней атома натрия. Если основной уровень атома вырожден, то для разрешенных переходов соблюдения правила отбора по четности не требуется, а это значит, что в присутствии поля средний дипольный момент атома не обращается в нуль. Облучаемые светом атомы приобретают дипольный момент, который стремится выстроиться вдоль вектора напряженности электрического поля волны. Но так как атомы движутся, а поляризация света в шестилучевой геометрии не может быть сделана линейной и всюду одинаковой в области освещения, им приходиться переориентировать свой дипольный момент. Непрерывно перестраиваясь, атом отбирает энергию от электрического поля волны, как бы карабкаясь вверх, а затем в результате спонтанного излучения сваливается вниз. Этот маленький энергетический "бугорок" целиком лежит внутри радиационной ширины , что и обеспечивает снятие возбуждения за счет спонтанного излучения. Похожее объяснение этому механизму охлаждения, названному также в шутку сизифовым (Sisyphus cooling), дал Чу, рассматривая перестройку наведенного волной дипольного момента как квадратичный эффект Штарка.

Преодолев допплеровский барьер, физики очень быстро обнаружили следующее препятствие, связанное с увеличением скорости отдачи атома при испускании им фотона в условиях понижения температуры до единиц мкК. Для атомов натрия температура, отвечающая этому "пределу отдачи" (recoil limit), оценивалась в 2.4 мкК, для несколько более тяжелых атомов цезия 0.2 мкК. Погоня за микроградусами стала напоминать движение по американским горкам, только не сверху вниз, а наоборот.

В сотрудничестве с парижской группой Коэн-Таннуджи Филлипс установил, что атомы цезия можно охладить в оптической патоке до температуры около 2 мкК примерно в десять раз большей предела отдачи. Далее они показали, что при подходящей расстановке лазеров возможен такой захват атомов, когда они группируются в регулярную пространственную решетку, названную оптической, с периодом в длину волны света. Оценка температуры, до которой можно охладить атомы в оптической решетке, давала всего пятикратное превышение над пределом отдачи.

При охлаждении атомов в оптической патоке до температур - около 1мкК - процесс отдачи сопровождает поглощение и испускание фотонов всеми атомами, в том числе и самыми холодными. Это приводит хотя и к небольшим, но не пренебрежимо малым изменениям скоростей частиц, что и означает наличие у газа некоторой температуры. Если заставить самые медленные атомы не "замечать" фотоны в оптической патоке, то можно надеяться достичь и более низких температур. Один из способов сделать атомы "темными", т. е. невидимыми для фотонов, и тем самым избежать поглощения был известен. Однако было неясно, как скомбинировать этот способ с лазерным охлаждением.

Все же группе Коэн-Таннуджи, потратившей немало времени на поиски, удалось найти метод охлаждения, в котором медленные атомы переходят в темное состояние. Метод был назван избирательным по скорости, когерентным пленением населенностей (velocity-selective coherent population trapping). Эксперимент проводился с атомами гелия, для которых отвечающая пределу отдачи температура составляет 4 мкК. Использовался пучок атомов, предварительно возбужденных в метастабильное состояние с достаточно большим временем жизни - около 10^-2 c. Характер электронного строения ⁴He позволяет осуществить оптическую накачку неподвижных атомов в стационарное смешаное состояние, невосприимчивое к фотонам охлаждающих лучей. Для движущихся атомов такое состояние не стационарно, но вероятность поглощения света оказывается пропорциональной квадрату их скорости, так что чем медленнее они движутся, тем дольше находятся в темном состоянии. Это и означает "накапливание" атомов в состояниях с малыми импульсами поступательного движения и когерентным распределением по внутренним степеням свободы. В первом эксперименте было достигнуто поперечное охлаждение пучка, для которого одномерное распределение атомов по скоростям отвечало температуре 2 мкК. С четырьмя лазерными лучами они получили двумерное распределение, температура которого 0.25 мкК означала уже выход в наноградусную область. Наконец, в шестилучевой геометрии полное распределение частиц по скоростям соответствовало температуре 0.18 мкК. В этих условиях атомы гелия еле движутся, их средняя скорость всего 2 см/с!

Группа Чу нашла другой путь охладить атомы ниже предела отдачи. Они совместили рамановские переходы (комбинационное рассеяние света) между сверхтонкими подуровнями основного состояния атомов натрия с оптической накачкой в нижнее по энергии состояние этого дублета через отдельный вспомогательный уровень. По сравнению с обычным однофотонным переходом между подуровнями сверхтонкой структуры рамановские переходы в два раза чувствительнее к допплеровскому сдвигу движущихся атомов, если лучи с частотами f1 и f2, вызывающие рамановский переход, распространяются навстречу друг другу. Если разность f1 - f2меньше чем требуется для двухфотонного резонанса, тормозиться будет атом, имеющий скорость+v (летящий навстречу лучу f1). При изменении направления лучей на противоположное тормозиться будет атом, скорость которого - v. Создав серию рамановских импульсов с изменяющимися частотой, отстройкой, длительностью и направлением, можно не только растянуть частотный спектр лазерного поля, но и задать ему требуемую эволюцию так, чтобы заставить все атомы возбуждаться на верхний подуровень основного состояния за исключением самых медленных . Замедленные на этом подуровне атомы далее переводятся на самый низкий по энергии уровень путем оптической накачки, как сказано выше. Этот метод, названный рамановским охлаждением (Raman cooling), потребовал для своей реализации высокого экспериментального мастерства и позволил группе Чу также достичь наноградусной области при охлаждении атомов натрия в одномерной геометрии (до температуры 0.1 мкК).

Методы охлаждения газов в микроградусную область температур и ниже были развиты С.Чу, К.Коэн-Таннуджи и У.Д.Филлипсом в целом ряде работ, начиная с середины 80-х годов. Полученные результаты значительно продвинули наши знания о взаимодействии излучения с веществом и позволили глубже понять квантовомеханическое поведение газов при сверхнизких температурах. На основе развитых нобелевскими лауреатами методов недавно удалось наблюдать тонкое явление - конденсацию Бозе-Эйнштейна в атомарных газах. Реализован новый атомный эталон частоты, точность которого на два порядка выше ныне существующего - цезиевого. Разработка более точных атомных часов, в частности для их использования в космической навигации, скоро станет технологической проблемой. Отмеченные Нобелевским комитетом методы указывают пути к созданию атомного интерферометра, который поможет выполнить точнейшие измерения гравитационных сил, атомного лазера - инструмента будущего квантовой микроэлектроники, атомно-волновых элементов квантовых компьютеров. Поднимаясь по лестнице своей эволюции, оптика по очереди прошла ступени фотонов, электронов, нейтронов. Теперь она вышла на следующий уровень - оптику атомов. Блистательный прорыв в микроградусную область открыл новые горизонты для будущих исследований.