LASER
KONWENCJONALNY
DETEKTOR
SOCZEWKA
ZWIERCIAD¸O
ATOM BARU
ZWIERCIAD¸O
PIEC
WIŃZKA ATOMOWA nap´dza laser
jednoatomowy, tak jak pokazano na ry-
sunku. Atomy baru wychodzÄ… z pieca
w stanie podstawowym (niebieski) i sÄ… prze-
noszone do stanu wzbudzonego (czerwony)
za pomocą wiązki Ęwiat"a z konwencjonalne-
go lasera. Atomy emitują Ęwiat"o laserowe we-
wnÄ…trz wn´ki (w obszarze mi´dzy zwierciad"a-
mi), po czym powracajÄ… do stanu podstawowego.
Cz´Ä˜ç Ęwiat"a przechodzi przez zwierciad"a. WiÄ…z-
ka wy"aniajÄ…ca si´ z jednego ze zwierciade" zosta-
je zogniskowana na detektorze fotonów. Laser
umieszczony w komorze próŻniowej moÅ»na oglÄ…daç
przez wziernik (fotografia na sÄ…siedniej stronie).
72 ÂWIAT NAUKI WrzesieÅ‚
1998
MARK GERBER
Laser jednoatomowy
Nowy typ lasera wykorzystujÄ…cy energi´ pojedynczych atomów
pozwala obserwowaç, jak Ęwiat"o oddzia"uje z materiÄ…
Michael S. Feld i Kyungwon An
ciÄ…gu 40 lat od czasu odkry- naukowcy mogÄ… weryfikowaç przewi- zywa si´ emisjÄ… spontanicznÄ…. Ma"y u"a-
cia laser sta" si´ urzÄ…dzeniem dywania tej teorii i g"´biej wniknÄ…ç mek tego Ęwiat"a, zazwyczaj kilkumilio-
Wbez ma"a wszechobecnym. w natur´ Ęwiat"a laserowego. nowy, kieruje si´ w stron´ jednego ze
Nauczyciele i przewodnicy wycieczek zwierciade" i zostaje odbity na powrót
uÅ»ywajÄ… jego cienkiej wiÄ…zki jako no- Laser konwencjonalny do oĘrodka laserowego. Âwiat"o odbite
woczesnego wskaęnika. Pracownicy do- indukuje we wzbudzonych atomach
mów towarowych korzystajÄ… z laserów Aby doceniç znaczenie lasera jedno- emisj´ dodatkowych fotonów o tej samej
do odczytu kodów kreskowych na ar- atomowego, naleÅ»y uprzednio zrozu- d"ugoĘci fali, kierunku rozchodzenia si´
tyku"ach spoÅ»ywczych, a mi"oĘników mieç, jak dzia"a laser tradycyjny. KaÅ»de i fazie. Wytwarzanie Ęwiat"a o identycz-
muzyki cieszy znakomita jakoĘç dÄ™wi´- takie urzÄ…dzenie sk"ada si´ z dwóch nych cechach co pierwotne, zwane emi-
ku, którÄ… zawdzi´czajÄ… miniaturowym podstawowych elementów: rezonatora sjÄ… wymuszonÄ…, jest odpowiedzialne za
laserom zainstalowanym w odtwarza- optycznego, który zwykle stanowią dwa wiele niezwyk"ych w"aĘciwoĘci promie-
czach p"yt kompaktowych. Wszystkie równolegle ustawione zwierciad"a odbi- niowania laserowego. Âwiat"o, odbijajÄ…c
te lasery dzia"ajÄ… na takiej samej zasa- jajÄ…ce Ęwiat"o tam i z powrotem, oraz si´ tam i z powrotem mi´dzy zwiercia-
dzie: ogromna liczba atomów lub czÄ…- z umieszczonego mi´dzy nimi oĘrodka, d"ami, jest ciÄ…gle wzmacniane przez oĘro-
steczek  od milionów do bilionów  który generuje i wzmacnia Ęwiat"o. Na dek laserowy. Tylko jego ma"a cz´Ä˜ç wy-
wspó"pracujÄ…c ze sobÄ…, wytwarza inten- przyk"ad w laserze helowo-neonowym dostaje si´ przez jedno ze zwierciade",
sywnÄ…, monochromatycznÄ… wiÄ…zk´ takim oĘrodkiem jest gaz; w laserze neo- które tak si´ projektuje, by odbija"o odro-
Ęwiat"a. Ostatnio jednakÅ»e opracowali- dymowym YAG oĘrodek sk"ada si´ z jo- bin´ s"abiej od drugiego, co w rezultacie
Ęmy laser, który dzia"a z najmniejszÄ… nów neodymu wbudowanych w sieç pozwala na wy"onienie si´ dobrze zna-
moŻliwą liczbą atomów: tylko z jednym. krystaliczną granatu itrowo-glinowego nej wiązki laserowej.
Jednoatomowy laser nie moÅ»e odczy- (Y3Al5O12  przyp. t"um.). Atomy czy Aby pojawi"y si´ oscylacje laserowe,
tywaç kodów kreskowych czy teÅ» od- czÄ…steczki oĘrodka nie sÄ… jednakowe  wzmocnienie  zwi´kszenie nat´Å»enia
twarzaç muzyki; jego moc wyjĘciowa znajdujÄ… si´ w róŻnych stanach kwanto- Ęwiat"a podczas jego przechodzenia
stanowi oko"o jednej bilionowej cz´Ä˜ci wych, czyli inaczej mówiÄ…c, sÄ… na róŻ- przez oĘrodek  musi przewyÅ»szyç stra-
wata (lasery stosowane w odtwarza- nych poziomach energetycznych. W pro- ty w nat´Å»eniu wiÄ…zki, spowodowane
czach p"yt CD mają moc kilka milionów cesie laserowania uczestniczy tylko je- niedoskona"oĘcią zwierciade" i innymi
razy wi´kszÄ…). Mimo to nasze urzÄ…dze- den rodzaj elementów czy sk"adników czynnikami. Ten warunek jest znany
nie sprawdzi"o si´ juÅ» jako waÅ»ne na- oĘrodka, a z nich jedynie bardzo ma"y pod nazwÄ… progu akcji laserowej. OĘro-
rz´dzie w pracy doĘwiadczalnej. Âwia- u"amek faktycznie emituje Ęwiat"o lase- dek laserów tradycyjnych musi zatem
t"o wytwarzane przez jednoatomowy rowe; sÄ… to tzw. atomy aktywne, pod- zawieraç ogromnÄ… liczb´ atomów lub
laser wykazuje cechy, które da si´ wyja- czas gdy pozosta"e nazywa si´ atomami czÄ…steczek w celu uzyskania wystarcza-
Ęniç jedynie na gruncie mechaniki kwan- t"a. Atomy aktywne wyst´pujÄ… na prze- jÄ…cego wzmocnienia, które by przewyÅ»-
towej  teorii opisującej oddzia"ywania mian w dwóch stanach energetycznych. szy"o straty. Na przyk"ad w jednomili-
wyst´pujÄ…ce w skali atomowej i sub- Wzmocnienie Ęwiat"a moÅ»e nastÄ…piç tyl- watowym laserze helowo-neonowym
atomowej. AnalizujÄ…c zachowanie si´ ko wtedy, gdy liczba aktywnych atomów jest kilka tysi´cy bilionów atomów neo-
lasera w zmieniajÄ…cych si´ warunkach, w stanie o wyÅ»szej energii, czyli wzbu- nu i mniej wi´cej 10 razy wi´cej atomów
dzonych, przewyÅ»sza liczb´ atomów helu. Wzmocnienie Ęwiat"a osiÄ…ga stan
znajdujÄ…cych si´ w niÅ»szym stanie ener- równowagi, gdy od zwierciade" rezo-
getycznym. Taki warunek nazywa si´ in- natora odbija si´ tam i z powrotem oko-
wersją obsadzenia. "o miliarda fotonów. Innymi s"owy,
W celu przeniesienia aktywnych ato- utrzymanie we wn´ce kaÅ»dego fotonu
mów ze stanu o niŻszej energii do stanu wymaga kilku milionów atomów neonu
wzbudzonego w laserze wykorzystuje i dziesiątek milionów atomów helu.
si´ Ä™ród"o energii  na przyk"ad wy"ado- Istnieje wiele sposobów zmniejszenia
wanie elektryczne. Ale atomy wzbudzo- liczby niezb´dnych atomów. Popra-
ne nie pozostajÄ… takie wiecznie: ich na- wiajÄ…c zdolnoĘç odbijajÄ…cÄ… zwierciade",
turalnÄ… sk"onnoĘciÄ… jest powrót do moÅ»emy ograniczyç straty w nat´Å»e-
niÅ»szego stanu energetycznego. Kiedy niu wiÄ…zki, dzi´ki czemu fotony sÄ… d"u-
to nast´puje, wysy"ajÄ… Ęwiat"o w przy- Å»ej przechowywane w rezonatorze i tym
padkowych kierunkach, a proces ten na- samym "atwiej b´dÄ… si´ w nim groma-
ÂWIAT NAUKI WrzesieÅ‚
1998 73
SAM OGDEN
TYPY LASERÓW
HELOWO-NEONOWY NEODYMOWY YAG MIKROLASER LASER
PÓ¸PRZEWODNIKOWY JEDNOATOMOWY
ODLEG¸OÂå 20 100 cm 5 15 cm 2 5 µm 1 mm
MIóDZY
ZWIERCIAD¸AMI
LICZBA ATOMÓW 1016 ATOMÓW NEONU 1019 JONÓW NEODYMU 106 PAR ELEKTRON DZIURA 1 ATOM BARU
MOC (WATY) 10 3 1.0 10 4 10 12
TE CZTERY LASERY mają bardzo róŻne cechy charakterystyczne, chociaŻ wszystkie wytwarzają monochromatyczne wiązki Ęwiat"a.
Laser helowo-neonowy moÅ»na spotkaç w kaÅ»dym duÅ»ym sklepie, który ma urzÄ…dzenie do odczytu kodu kreskowego, podczas gdy znacz-
nie silniejszÄ… wiÄ…zk´ lasera neodymowego YAG wykorzystuje si´ w chirurgii. Mikrolaser pó"przewodnikowy, nad którym ciÄ…gle trwa-
jÄ… prace badawczo-rozwojowe, byç moÅ»e pewnego dnia znajdzie zastosowanie w komputerach optycznych. Laser jednoatomowy jest
przede wszystkim bardzo waÅ»nym narz´dziem stosowanym w pracach eksperymentalnych, ale równieÅ» moÅ»e zostaç wykorzystany w ni-
skoszumowym przetwarzaniu informacji i w precyzyjnej spektroskopii.
dziç. W niektórych przypadkach wi´k- gia fotonów o cz´stoĘci radiowej by"a do- koĘciami, zaleÅ»nymi od nat´Å»enia otacza-
sze wzmocnienie lasera da si´ uzyskaç pasowana do róŻnicy energii mi´dzy sta- jÄ…cego go pola elektromagnetycznego.
poprzez zmniejszenie liczby atomów nem podstawowym i stanem wzbudzo- Pewną szczególną konsekwencją tej
t"a, które zderzajÄ…c si´ z atomami ak- nym. Ale gdy wszystkie atomy osiÄ…gn´"y teorii jest fakt, Å»e wzbudzony atom mo-
tywnymi, wp"ywajÄ… na wzmocnienie stan wzbudzony, nie mog"y juÅ» dalej ab- Å»e zostaç zmuszony do emisji fotonu po
Ęwiat"a. W praktyce jednak nawet naj- sorbowaç energii fal radiowych. Tak wi´c prostu wskutek umieszczenia go w bar-
bardziej wydajny laser konwencjonal- proces sam si´ odwróci": nieprzerwanie dzo ma"ej wn´ce. JeĘli wn´ka jest rezo-
ny wymaga co najmniej 100 tys. atomów oĘwietlane atomy zacz´"y wysy"aç ener- nansowa, tzn. jej Ęcianki sÄ… odbijajÄ…ce,
na kaÅ»dy foton uwi´ziony w rezonato- gi´, oddajÄ…c jÄ… polu, którego dzia"aniu a rozmiary tak dobrane, aby fotony emi-
rze. Laser tradycyjny oczywiĘcie nie mo- by"y poddane, i powraca"y do stanu pod- towane przez atom mog"y si´ w niej gro-
Å»e wytworzyç wiÄ…zki Ęwiat"a, jeĘli w stawowego. Nast´pnie ponownie zaczy- madziç, pojawia si´ kwantowo-mecha-
oĘrodku jest tylko jeden atom. na"y absorbowaç energi´ pola, powta- niczne  sprz´Å»enie , które powoduje, Å»e
rzajÄ…c ca"y cykl. atom znacznie szybciej emituje foton, niÅ»
Atomy we wn´kach W eksperymentach Rabiego procesy zrobi"by to w swobodnej przestrzeni. Gdy
zachodzÄ…ce na poziomie pojedynczego atom pozostaje we wn´ce, poch"ania fo-
Nasz jednoatomowy laser wykorzy- atomu i fotonu nie by"y widoczne. Foto- ton, który wyemitowa", i nast´pnie cykl
stuje alternatywny sposób wzmocnie- ny o cz´stoĘci radiowej majÄ… bardzo ma- si´ powtarza. Ten proces nazywa si´
nia Ęwiat"a, oparty na procesie, który "Ä… energi´, nawet ma"ej mocy fale radio- próŻniowÄ… oscylacjÄ… Rabiego, poniewaÅ»
nazywa si´ skwantowanÄ… oscylacjÄ… Ra- we zawierajÄ… wi´c ich niezliczone iloĘci. poczÄ…tkowo we wn´ce nie ma Å»adnego
biego. Zjawisko to badali naukowcy zaj- Mi´dzy atomami i fotonami zachodzi tak pola elektromagnetycznego. JeÅ»eli we
mujÄ…cy si´ elektrodynamikÄ… kwantowÄ… wiele aktów wymiany energii, Å»e ich wn´ce b´dzie si´ znajdowa" jeden foton
we wn´ce, czyli teoriÄ…, która rzÄ…dzi za- efekty uĘredniajÄ… si´, nie dajÄ…c Å»adnej lub wi´cej, zanim wejdzie do niej wzbu-
chowaniem si´ atomów w skrajnie ma- moÅ»liwoĘci badania kwantowo-mecha- dzony atom, to wówczas doĘwiadczy on
"ych rezonatorach [patrz: Serge Haro- nicznej natury tego procesu. Na poczÄ…tku skwantowanej oscylacji Rabiego i zacznie
che i Jean-Michel Raimond,  Elektro- lat szeĘçdziesiÄ…tych Edwin T. Jaynes emitowaç i absorbowaç fotony w znacz-
dynamika kwantowa we wn´ce ; Âwiat z Washington University i Frederick W. nie szybszym tempie.
Nauki, czerwiec 1993]. Jest to byç moÅ»e Cummings z laboratoriów badawczych Zjawisko to zosta"o zademonstrowa-
najbardziej elementarna postaç oddzia- Ford Motor Company opracowali teori´ ne w laboratorium w 1984 roku, kiedy
"ywania Ęwiat"a z materiÄ…. majÄ…cÄ… wyjaĘniç, w jaki sposób pojedyn- Herbert Walther z Max-Planck-Institut
Oscylacja Rabiego to okresowa wy- czy atom o dwóch poziomach energe- w Garching (Niemcy) zbudowa" mi-
miana energii mi´dzy atomami i polem tycznych moÅ»e oddzia"ywaç z falÄ… Ęwietl- kromaser  urzÄ…dzenie mikrofalowe
elektromagnetycznym. W latach trzy- nÄ… zawierajÄ…cÄ… ma"Ä… liczb´ fotonów. dzia"ajÄ…ce zgodnie z teoriÄ… kwantowÄ….
dziestych fizyk Isidor Isaac Rabi by" W przypadku tylko jednego atomu cz´- W eksperymencie Walthera wiÄ…zka ato-
pierwszym, który bada" ten proces. Gdy stoĘci oscylacji Rabiego nie mogÄ… byç do- mów rydbergowskich, w których ze-
podda" próbk´ atomów dzia"aniu odpo- wolne  muszÄ… one przyjmowaç wartoĘci wn´trzne elektrony sÄ… wzbudzone do
wiednio dostrojonych fal radiowych, skwantowane, podobnie jak to si´ dzieje duÅ»ych ko"owych orbit, przechodzi"a
stwierdzi", Å»e wskutek absorpcji energii z doĘç odleg"ymi od siebie poziomami atom po atomie przez ma"Ä… wn´k´ me-
pola atomy, które by"y w stanie podsta- energetycznymi atomów. Innymi s"owy, talową o doskonale odbijających Ęcian-
wowym, przesz"y do stanu wzbudzone- dwupoziomowy atom powinien emito- kach. Wn´ka ta by"a odpowiednikiem
go. Absorpcja nastÄ…pi"a dlatego, Å»e ener- waç i absorbowaç fotony z róŻnymi pr´d- rezonatora laserowego; jej wymiary od-
74 ÂWIAT NAUKI WrzesieÅ‚
1998
MARK GERBER
powiada"y d"ugoĘci fali mikrofalowych ciad"a w typowych laserach zwykle od- tycznego, nie jest "atwe. JeŻeli zwiercia-
fotonów emitowanych przez atomy bijajÄ… 99% Ęwiat"a, podczas gdy lustro d"a przesunÄ… si´ choçby nieznacznie
w stanach rydbergowskich podczas ich wiszące na Ęcianie tylko 90%.) W takim i zniknie dopasowanie rezonatora,
przejĘç do stanów niÅ»ej po"oÅ»onych. rezonatorze fotony by"yby magazyno- wówczas nie mogÄ… wystÄ…piç oscylacje
Zgodnie z przewidywaniami Jaynesa wane 10 tys. razy wydajniej niÅ» w zwy- Rabiego i atomy we wn´ce nie b´dÄ…
i Cummingsa, gdy atomy przechodzi"y k"ym rezonatorze laserowym. W na- emitowaç fotonów. Aby zapewniç wa-
przez wn´k´, emitowa"y fotony w szyb- szym laserze jednoatomowym zwiercia- runki rezonansu atom wn´ka, odst´p
szym tempie. Fotony mog"y gromadziç d"a mia"y zdolnoĘç odbijajÄ…cÄ… równÄ… mi´dzy zwierciad"ami regulowaliĘmy
si´ w rezonatorze, poniewaÅ» wn´ka zo- 99.9997% i znajdowa"y si´ od siebie za pomocÄ… przetwornika piezoelek-
sta"a wykonana z materia"u nadprze- w odleg"oĘci zaledwie 1 mm. Fotony trycznego  kryszta"u dielektrycznego,
wodzÄ…cego i jej Ęcianki da"y si´ sch"o- mog"y si´ odbijaç tam i z powrotem oko- który zamienia przy"oÅ»one do niego na-
dziç do temperatury nieco powyÅ»ej zera "o çwierci miliona razy, zanim zosta"y pi´cie na odkszta"cenie mechaniczne.
bezwzgl´dnego, co znacznie zwi´kszy- poch"oni´te przez zwierciad"a lub opu- Serwomechanizm kontrolowa" t´ odle-
"o ich zdolnoĘç odbijajÄ…cÄ…. Ęci"y rezonator. g"oĘç i dzi´ki odpowiedniemu sprz´Å»e-
Jednoatomowy laser jest optyczną Niestety, podtrzymywanie  dostro- niu usuwa" kaŻde, nawet bardzo ma"e
wersjÄ… mikromasera. Wzbudzone dwu- jenia takiej superwn´ki do cz´stoĘci fo-  rz´du dziesi´ciotysi´cznej cz´Ä˜ci na-
poziomowe atomy wchodzą jeden po tonów emitowanych przez atomy, które nometra  odchylenie od w"aĘciwego
drugim do mikroskopijnego rezonatora, przechodzą do niŻszego stanu energe- rozstawu zwierciade".
gdzie emitujÄ… podczerwone fotony o d"u-
goĘci fali nieco przekraczajÄ…cej granic´
6000
obszaru widzialnego. Pierwszy foton po-
jawia si´ w pustej wn´ce wskutek próŻ-
6000
niowej oscylacji Rabiego, a nast´pnie
ZLICZEÄ„
dzi´ki procesowi skwantowanej oscyla-
cji Rabiego zachodzi wzmocnienie Ęwia-
t"a. W miar´ wzrostu liczby fotonów we
5000
wn´ce zwi´ksza si´ prawdopodobieÅ‚
-
stwo, Że przechodzący przez rezonator
atom wyĘle kolejny foton. To wzmocnie-
nie jest podstawowym procesem, na któ-
rym opiera si´ zjawisko emisji wymu-
szonej w tradycyjnym laserze.
STRUMIEÄ„
Budowa dzia"ajÄ…cego lasera jednoato-
4000
ATOMÓW
mowego by"a uzaleŻniona od konstruk-
cji rezonatora optycznego, w którym
przez stosunkowo d"ugi czas móg"by
800
przebywaç foton, zanim zosta"by po-
ZLICZEÄ„
ch"oni´ty przez jedno ze zwierciade" lub
wr´cz opuĘci" wn´k´. ZastosowaliĘmy
nowy typ rezonatora, tzw. superwn´k´,
3000
która sk"ada si´ z dwóch precyzyjnie
ustawionych zwierciade" o bardzo du-
200
Å»ej zdolnoĘci odbijajÄ…cej. W latach szeĘç-
ZLICZEÄ„
dziesiątych inŻynierowie z National
Aeronautics and Space Administration,
próbujÄ…c zbudowaç system nap´dowy
2000
wykorzystujÄ…cy ultraszybkie jony, od-
kryli, Że wiązki jonów, padając na Ęcian-
ki komory próŻniowej, pokrywają je
warstwą o bardzo duŻej zdolnoĘci od-
bijajÄ…cej. W latach siedemdziesiÄ…tych
i osiemdziesiątych inŻynierowie stoso-
wali wiązki jonów do produkcji zwier-
1000
ciade" uŻywanych w Żyroskopach lase-
rowych. I chociaÅ» dzi´ki tej technologii
uzyskano najwyÅ»szÄ… zdolnoĘç odbijajÄ…-
cą, to mikroskopijne niedoskona"oĘci 500
kszta"tu zwierciad"a ogranicza"y moŻli-
woĘci jego zastosowania w rezonatorze.
JeĘli jednak eksperymentatorzy ko-
0
rzystajÄ… jedynie z malutkiego kawa"ka
 20 0 20
zwierciad"a  zwykle o wymiarach 1 mm
RÓÚNICA CZóSTOÂCI WNóKI I FOTONÓW (MHz)
 te niedoskona"oĘci są na ogó" do za-
NATóÚENIE WIŃZKI lasera jednoatomowego gwa"townie roĘnie, gdy g´sty strumieÅ‚
ato-
niedbania. Zwierciad"a ze zdolnoĘcią
mów baru wchodzi do rezonatora. JeĘli strumieł
atomów jest rzadki, nat´Å»enie Ęwiat"a la-
odbijajÄ…cÄ… aÅ» 99.9999% mog"yby wi´c
serowego znacznie si´ zmniejsza. Warto zauwaÅ»yç, Å»e zliczenia fotonów spadajÄ… do pozio-
dobrze dzia"aç w rezonatorze. (Zwier- mu t"a, gdy tylko cz´stoĘç rezonansowa wn´ki odstroi si´ od cz´stoĘci emitowanych fotonów.
ÂWIAT NAUKI WrzesieÅ‚
1998 75
ZLICZENIA FOTONÓW (na 1/80 s)
MARK GERBER
OSCYLACJE RABIEGO  po raz pierwszy
a EMISJA SPONTANICZNA
zaobserwowane przez I. I. Rabiego (z lewej)
w latach trzydziestych  wywo"ujÄ… emisj´
fotonów w laserze jednoatomowym. W swo-
bodnej przestrzeni wzbudzony atom spon-
tanicznie emituje foton w przypadkowym
kierunku (a). Natomiast we wn´ce rezo-
nansowej atom wyemituje foton szybciej
i w kierunku dok"adnie ustawionych zwier-
ciade" (b). Proces ten nazywa si´ próŻniowÄ…
oscylacjÄ… Rabiego. JeĘli do wn´ki dostanie
si´ kolejny wzbudzony atom, obecnoĘç w
niej fotonu sprawi, Że atom ulegnie skwan-
towanej oscylacji Rabiego. Atom znacznie
ATOM
szybciej wyemituje foton identyczny z
WZBUDZONY
poprzednim i podąŻający w tym samym
kierunku (c).
Równie istotnym zadaniem by"o do- nów w rezonatorze, prawdopodobieł
- fotony, teoretycznie moÅ»e si´gnÄ…ç 100%.
branie stosownego atomu w celu wpro- stwo emisji fotonu by"o coraz wi´ksze. W naszym prototypie maksymalne
wadzenia go do tego rezonatora. Taki Ponadto wszystkie wyemitowane foto- prawdopodobieł
stwo emisji wynios"o
atom musia" mieç odpowiedniÄ… par´ po- ny mia"y ten sam kierunek i faz´ narzu- 50%, co oznacza, Å»e po"owa energii ab-
ziomów energetycznych i ma"e prawdo- cone im przez geometri´ rezonatora. sorbowanej przez atomy baru by"a za-
podobieł
stwo emisji spontanicznej, po- W rezultacie pojawi"a si´ s"aba wiÄ…zka mieniana na Ęwiat"o lasera. Natomiast
niewaÅ» ten proces móg"by zniszczyç fotonów laserowych opuszczajÄ…ca wn´- wi´kszoĘç konwencjonalnych laserów
oddzia"ywanie mi´dzy atomem i wn´- k´ w kierunku prostopad"ym do wiÄ…zki charakteryzuje si´ wydajnoĘciÄ… w gra-
ką. WybraliĘmy atomy baru, które prze- atomów. nicach od 1% do oko"o 30%.
chodzÄ…c ze stanu wzbudzonego do pod- Dzi´ki ma"ym stratom rezonatora fo-
stawowego, emitujÄ… fotony o d"ugoĘci tony mog"y pozostawaç we wn´ce przez Lasery przysz"oĘci
fali 791 nm. Atomy te zosta"y przygoto- blisko jednÄ… milionowÄ… cz´Ä˜ç sekundy,
wane przez stopienie w piecu metalicz- co w standardach atomowych jest do- Prawdziwa wartoĘç lasera jednoato-
nego baru i skierowanie powsta"ej pary syç d"ugim czasem. Liczb´ fotonów zma- mowego polega jednak na moÅ»liwoĘci
w stron´ przerwy mi´dzy zwierciad"ami. gazynowanych w naszym rezonatorze wykorzystania go jako narz´dzia w eks-
Z pieca wydostawa"a si´ wÄ…ska wiÄ…zka oszacowaliĘmy na podstawie pomiaru perymencie. PoniewaÅ» Ęwiat"o lasera
atomów baru, które porusza"y si´ ze iloĘci Ęwiat"a laserowego transmitowane- jest generowane dzi´ki zjawiskom
ĘredniÄ… pr´dkoĘciÄ… 360 m/s. Dzi´ki te- go przez jedno ze zwierciade". W tym kwantowo-mechanicznym, to przez
mu, Å»e rezonator by" ma"y, a g´stoĘç celu wykorzystaliĘmy bardzo wydajny wprowadzenie oddzia"ywaÅ‚
atomo-
strumienia atomów niewielka, w kaŻdej detektor zliczający 40% wszystkich fo- wych do rezonatora i obserwowanie, co
chwili wewnątrz rezonatora znajdowa" tonów, które na niego pad"y. z tego uk"adu wychodzi, naukowcy mo-
si´ najwyÅ»ej jeden atom. W naszym eksperymencie magazyno- gÄ… sprawdzaç przewidywania teorii
TuÅ» przed wejĘciem do wn´ki atomy wanie fotonów trwa"o dopóty, dopóki kwantowej. Nasz pierwszy laser nie by"
baru przechodzi"y przez wiÄ…zk´ Ęwia- tempo strat spowodowanych absorpcjÄ… idealnym urzÄ…dzeniem do takich do-
t"a z konwencjonalnego lasera tytano- i transmisją przez zwierciad"a nie dorów- Ęwiadczeł
, gdyÅ» oddzia"ywania atomo-
wo-szafirowego, który by" dok"adnie do- na"o pr´dkoĘci emisji fotonów przez ato- we w rezonatorze nie by"y jednorodne.
strojony do wzbudzania atomów ze my baru. ZmieniajÄ…c temperatur´ pieca, Pole elektromagnetyczne w superwn´-
stanu podstawowego do stanu o wi´k- mogliĘmy wp"ywaç na g´stoĘç strumie- ce mia"o kszta"t fali stojÄ…cej utworzonej
szej energii. Gdyby te atomy zosta"y po- nia atomów. Gdy Ęrednia liczba atomów mi´dzy zwierciad"ami, której amplituda
zostawione same sobie, to Ęrednio po we wn´ce wynios"a 0.1  innymi s"owy, wznosi"a si´ i opada"a sinusoidalnie, po-
trzech milionowych cz´Ä˜ci sekundy gdy wn´ka pozostawa"a wype"niona ato- dobnie jak w przypadku drgaÅ‚
napi´-
spontanicznie powróci"yby do stanu mami baru przez 10% czasu  uwi´zienie tej struny w pianinie. Z tego powodu
podstawowego, emitujÄ…c fotony o d"u- fotonów by"o minimalne. Wi´kszoĘç emi- oddzia"ywanie mi´dzy atomami i wn´-
goĘci fali 791 nm. Wn´ka ma jednak t´ towanych fotonów opuszcza"a rezona- kÄ… zmienia"o si´ wzd"uÅ» drogi atomów:
samÄ… rezonansowÄ… d"ugoĘç fali, na nie- tor, zanim móg"by do niego wejĘç kolej- przechodzÄ…ce przez obszar o duÅ»ej am-
których wi´c atomach baru (podczas ich ny atom. Lecz kiedy zwi´kszyliĘmy plitudzie emitowa"y fotony, podczas
przechodzenia mi´dzy zwierciad"ami) ĘredniÄ… liczb´ atomów we wn´ce do 0.4, gdy te, które znalaz"y si´ w obszarze
wymusza emisj´ fotonów w czasie wówczas w kaÅ»dej sekundzie emitowa- o ma"ej amplitudzie, przechodzi"y przez
200-miliardowych cz´Ä˜ci sekundy. "y one oko"o miliona fotonów, czyli do- rezonator niezmienione.
Gdy pierwszy atom wszed" do puste- statecznie duŻo do utrzymania w rezona- RozwiązaliĘmy ten problem, wpro-
go rezonatora, szansa na to, Że dozna torze jednego fotonu przez ca"y czas. wadzając niewielkie odchylenie kierun-
próŻniowej oscylacji Rabiego i wyemi- ObecnoĘç fotonu we wn´ce zwi´ksza"a ku wiÄ…zki atomowej od kÄ…ta 90° w sto-
tuje foton, wynosi"a 23%. Lecz kiedy juŻ prawdopodobieł
stwo emisji dodatko- sunku do ustawienia zwierciade". Dzi´ki
pojawi" si´ pierwszy foton, powsta"e we- wego fotonu: gdy zwi´kszyliĘmy Ęred- przesuni´ciu Dopplera atom nie  wi-
wnÄ…trz rezonatora pole elektromagne- niÄ… liczb´ atomów do 0.7, moc lasera dzia" juÅ» pola jako fali stojÄ…cej, lecz ja-
tyczne wywiera"o wi´kszy wp"yw na wzros"a siedmiokrotnie. ko par´ fal biegnÄ…cych w przeciwnych
kolejny atom baru, który wszed" do wn´- Laser jednoatomowy jest niezwykle kierunkach. MogliĘmy tak dobraç odle-
ki, i prawdopodobieł
stwo, Å»e wyemi- wydajny. Skoro fotony gromadzÄ… si´ g"oĘç mi´dzy zwierciad"ami, aby tylko
tuje on foton, podskoczy"o do 42%. w rezonatorze, prawdopodobieł
stwo, jedna z nich by"a w rezonansie z ato-
W miar´ jak zwi´ksza"a si´ liczba foto- Å»e atomy baru b´dÄ… emitowaç kolejne mem. Takie dostrojenie sprawia, Å»e od-
76 ÂWIAT NAUKI WrzesieÅ‚
1998
UPI/CORBIS-BETTMAN
b PRÓÚNIOWA OSCYLACJA RABIEGO
c SKWANTOWANA OSCYLACJA RABIEGO
ZWIERCIAD¸A
ZWIERCIAD¸A
dzia"ywania atomowe sÄ… bardziej jed- rezonansowej. Krzywa strojenia wn´ki wowaliĘmy pe"nych oscylacji Rabiego,
nolite: poniewaÅ» wszystkie atomy prze- przyjmuje dwa maksima. poniewaÅ» atomy baru porusza"y si´
chodzą zarówno przez obszary o duŻej, Widmo emisji lasera jednoatomowe- zbyt szybko; czas ich przejĘcia przez
jak i o ma"ej amplitudzie fali biegnÄ…cej, go powinno takÅ»e byç krzywÄ… z dwo- wn´k´ wystarcza" zaledwie na dozna-
mają zatem jednakowe prawdopodo- ma maksimami, ale tylko wtedy, gdy nie jednej szóstej pe"nej oscylacji. Sta-
bieł
stwo emisji fotonu, gdyŻ przemie- strumieł
atomów jest rzadki, tzn. wów- ny uwi´zione moÅ»emy badaç jedynie
szczajÄ… si´ przez takie samo pole. czas, gdy odst´py czasowe mi´dzy pod warunkiem spowolnienia strumie-
Nasz pierwszy laser sprawia" nam wchodzącymi atomami są znacznie nia atomów. To z kolei wymaga od nas
jeszcze inny k"opot, którego przyczy- d"uÅ»sze od czasu zaniku wn´ki i wszyst- wyd"uÅ»enia czasu przebywania foto-
nÄ… by" szeroki rozk"ad pr´dkoĘci ato- kie fotony jÄ… opuszczajÄ…, zanim wejdzie nów we wn´ce. Obecnie próbujemy po-
mów baru wychodzących z pieca. Szyb- do niej kolejny atom. Gdy strumieł
ato- troiç czas magazynowania fotonów
sze atomy, przemierzajÄ…c wn´k´, mia"y mów jest g´stszy i fotony gromadzÄ… si´ w naszym rezonatorze.
mniej czasu na oddzia"ywanie z polem, we wn´ce, widmo emisji powinno stop- Badania te mogÄ… mieç równieÅ» aspekt
a zatem mniejszÄ… szans´ na emisj´ fo- niowo przechodziç w krzywÄ… z jednym praktyczny: dzi´ki temu, Å»e stany uwi´-
tonu. W celu ujednolicenia pr´dkoĘci maksimum, charakterystycznÄ… dla Ęwia- zione charakteryzujÄ… si´ bardzo ma"Ä…
zmodyfikowaliĘmy uk"ad wzbudzania t"a laserowego. Nie ma jednak Żadnych nieoznaczonoĘcią amplitudy pola, jed-
atomów baru, oĘwietlając je dwoma lase- przewidywał
teoretycznych, w jaki spo- noatomowy laser dzia"ajÄ…cy w tym mo-
rami konwencjonalnymi. Dzi´ki temu sób takie przejĘcie si´ odbywa. Dzi´ki dzie móg"by zostaç wykorzystany do ni-
uzyskaliĘmy pewnoĘç, Å»e tylko atomy temu, Å»e laser jednoatomowy moÅ»e do- skoszumowego przetwarzania informa-
o poŻądanej pr´dkoĘci sÄ… przenoszone starczaç widma dla kaÅ»dego ze stanów cji lub w precyzyjnej spektroskopii. Wie-
do wyÅ»szego stanu energetycznego. poĘrednich, "atwiej zrozumieç, jak cha- dza uzyskana dzi´ki wprowadzeniu do
Obecnie przygotowujemy si´ do ana- otyczna emisja fotonów przeistacza si´ badaÅ‚
lasera jednoatomowego moŻe tak-
lizy widma emisji lasera jednoatomo- w Ęwiat"o laserowe. Å»e przyspieszyç prace nad mikrolasera-
wego. WczeĘniejsze doĘwiadczenia wy- Mamy takÅ»e zamiar wykorzystaç to mi pó"przewodnikowymi  mikrosko-
kaza"y, Å»e atom we wn´ce rezonansowej urzÄ…dzenie do badania  stanu uwi´zio- pijnymi uk"adami, które pewnego dnia
b´dzie oddzia"ywa" z wiÄ…zkÄ… Ęwiat"a nego , czyli zjawiska kwantowego, któ- zostanÄ… zapewne wykorzystane do bu-
z konwencjonalnego lasera. Gdy wn´- re wyst´puje wtedy, gdy wzbudzony dowy komputerów optycznych. Wielu
ka jest pusta, nat´Å»enie przechodzÄ…cej atom wchodzi do wn´ki i podlega pe"- naukowców wierzy, Å»e mogliby równieÅ»
przez niÄ… wiÄ…zki powinno wzrastaç, w nej oscylacji Rabiego lub wi´kszej ich znaczÄ…co zwi´kszyç wydajnoĘç laserów
miar´ jak cz´stoĘç Ęwiat"a lasera zbliÅ»a liczbie. W jednym pe"nym cyklu oscy- pó"przewodnikowych, gdyby potrafili
si´ do cz´stoĘci rezonansowej wn´ki. In- lacji atom we wn´ce emituje foton, po manipulowaç podstawowym procesem,
nymi s"owy,  krzywa strojenia wn´ki czym absorbuje foton pola i opuszcza jakim jest emisja fotonu. Jednoatomowy
ma jedno maksimum. JeÅ»eli jednak we rezonator w stanie wzbudzonym. Po- laser pozwoli uczonym opanowaç ten
wn´ce znajduje si´ atom, nat´Å»enie prze- niewaÅ» atom wchodzi do wn´ki i wy- proces, oĘwietlajÄ…c swoim Ęwiat"em kra-
chodzÄ…cej przez niÄ… wiÄ…zki laserowej chodzi z niej w tym samym stanie, licz- in´ mechaniki kwantowej.
gwa"townie roĘnie przy dwóch cz´sto- ba fotonów pola nie wzrasta. W naszym
T"umaczy"a
Ęciach  powyÅ»ej i poniÅ»ej cz´stoĘci pierwszym doĘwiadczeniu nie obser- Aleksandra KopystyÅ‚
ska
Literatura uzupe"niajÄ…ca
Informacje o autorach
CAVITY QUANTUM ELECTRODYNAMICS. Serge Haroche
MICHAEL S. FELD i KYUNGWON AN sÄ… wynalazcami lasera jednoatomowego. Feld
i Daniel Kleppner, Physics Today, vol. 42, nr 1, ss.
jest profesorem fizyki w Massachusetts Institute of Technology i dyrektorem George R.
Harrison Spectroscopy Laboratory. Doktorat uzyska" w 1967 roku w MIT. Do jego osiÄ…- 24-30, I/1989.
gni´ç naleÅ»y m.in. wykazanie istnienia superradiacji w obszarze optycznym. Feld zaj- THE MICROMASER: A PROVING GROUND FOR QUANTUM
PHYSICS. G. Raithel i in., Cavity Quantum Electrody-
mowa" si´ takÅ»e biomedycznymi zastosowaniami laserów i spektroskopiÄ…. An obroni"
namics. Red. Paul R. Berman; Academic Press, 1994.
doktorat z fizyki w 1994 roku w MIT; przedmiotem jego rozprawy doktorskiej by" laser
THE MICROLASER: A FUNDAMENTAL QUANTUM GENE-
jednoatomowy. Do stycznia 1998 roku by" w MIT pracownikiem naukowym. Obecnie
RATOR OF LIGHT. Kyungwon An, Ramachandra R.
jest adiunktem w Korea Advanced Institute of Science and Technology w Tedzon w
Dasari i Michael S. Feld, Atomic and Quantum
Korei Po"udniowej. Za pomoc autorzy dzi´kujÄ… Chrisowi Fang-Yen, Abdulowi Aljalal
i Ramachandrze R. Dasari. Przedstawiona tu praca by"a finansowana z grantów PHY- Optics: High-Precision Measurements, SPIE Pro-
ceedings Series, vol. 2799, ss. 14-21, 1996.
-9512056 i CHE-9304251 przyznanych przez National Science Foundation.
ÂWIAT NAUKI WrzesieÅ‚
1998 77
MARK GERBER