Naš tim istraživača iz područja hladnih atomskih plinova N. Šantić, D. Buhin, D. Kovačić, I. Krešić, D. Aumiler i T. Ban objavio je rad u časopisu Scientific Reports u kojem se hlađenje atoma rubidija proučavalo koristeći nekonvencionalnu metodu hlađenja koja se temelji na upotrebi femtosekundnog lasera koji u spektralnoj domeni čini optički frekventni češalj. Navedena metoda mogla bi omogućiti hlađenje atoma sa snažnim prijelazima u UV području spektra koji se, zbog nedostatka kontinuiranih izvora svjetlosti u tom spektralnom području, ne mogu ohladiti laserom.

Cooling of atoms using an optical frequency comb

Neven Šantić, Danijel Buhin, Domagoj Kovačić, Ivor Krešić, Damir Aumiler, and Ticijana Ban, Scientific Reports 9, 2510 (2019).

DOI: 10.1038/s41598-018-38319-3

Hlađenje pomoću optičkog frekventnog češlja (FC) ima potencijal za primjenu u hlađenju atoma sa snažnim prijelazima u UV području spektra. U navedenu skupinu atoma spada vodik, anti-vodik, deuterij, te neki atomi važni za proučavanje bioloških sustava kao što su kisik i ugljik. Hlađenje vodika, te njemu srodnih anti-vodika i deuterija omogućilo bi preciznije mjerenje temeljnih fizikalnih konstanti, preciznije optičke satove, točnije rezultate testova CPT simetrije, te stvaranje kvantne degeneracije novih vrsta atoma. Hlađenje atoma važnih za biološke sustave omogućilo bi bolje razumijevanje kemijskih procesa na molekularnom nivou.

Hlađenje atoma rubidija FC postignuto je u uvjetima kada je frekvencija jednog moda FC ugođena u crveno od frekvencije 5 ²S_1/2 (F=2) → 5 ²P_3/2 (F`=3) prijelaza u atomu ⁸⁷Rb. Hladni atomi rubidija stvarani su u magneto-optičkoj stupici koristeći uobičajenu metodu temeljenu na kontinuiranim (CW) laserima. Nakon što se je postigla određena temperatura, ugasili su se CW laseri te su atomi obasjani svjetlošću frekventnog češlja u 1D suprotno-propagirajućoj geometriji. Najniža izmjerena temperatura bliska je Dopplerovoj temperaturi za atome rubidija (146 mK) i ograničena je malom snagom u jednom modu FC. Pokazana je analogija između hlađenja jednim modom FC i CW laserom, čime je potvrđeno da ostali modovi FC ne utječu na dodatno hlađenje, ali niti zagrijavanje atoma. Time se je otvorio put za hlađenje atoma koji zahtijevaju svjetlost u UV/VUV spektralnom području te za njihovu primjenu u eksperimentima kvantne optike.

Istraživanje je financirano iz projekta IP-2014-09-7342 Optomehanika uzrokovana frekventnim češljem, financiranom od strane Hrvatske zaklade za znanost.

Slika prikazuje temperaturu atoma rubidija kao funkciju pomaka n-tog moda frekventnog češlja od 5 ²S_1/2 (F=2) → 5 ²P_3/2 (F`=3) prijelaza u atomu ⁸⁷Rb (lijeva strana). Temperatura je mjerena koristeći tehniku vremena proleta (TOF), koja je temeljena na slobodnom širenju oblaka atoma nakon što na atome više ne djeluju sile, tj. ugase se svi laseri. Za različita vremena širenja slika se raspodjela atoma u oblaku, te se iz ovisnosti kvadrata širine raspodjele o kvadratu vremena širenja dobiva temperatura (umetak u graf na lijevoj strani slike). Hlađenje je opaženo kada je n-ti mod FC ugođen u crveno od atomskog prijelaza s najnižom temperatura od 155(5) µK. U slučaju kada je n-ti mod FC ugođen u plavo od prijelaza opaženo je grijanje atoma. T_i je oznaka za početnu, a T_D za Dopplerovu temperaturu. Na desnoj strani prikazane su slike oblaka dobivene nakon 6 ms širenja za slučajeve pomaka n-tog moda FC koji odgovaraju oznakama a, b i c na slici lijevo. Ljubičasta krivulja je rezultat teorijskog modela.