Материал: Общая характеристика нагрева материалов

Охлаждение газа спонтанным световым давлением

В связи с эффектом резонансного светового давления в последние годы наибольшее развитие получило направление исследований, связанное с глубоким охлаждением и пространственной локализацией атомарного газа. Рассмотрим здесь принципиальные стороны соответствующих процессов. Начнем с процесса охлаждения газа спонтанным световым давлением.

В равновесии атомы газа находятся в хаотическом тепловом движении. Вероятность иметь то или иное значение скорости (в единичном интервале скоростей) задается функцией распределения Максвелла. Например, если речь идет об одной из проекций скорости (vx), соответствующее распределение Максвелла есть

График функции W(vx) изображен на рис. 5 (кривая 1).

Пусть теперь на такой газ действует резонансное излучение в виде бегущей (вдоль оси х) монохроматической волны. В соответствии со сказанным выше взаимодействуют с излучением отнюдь не все атомы, а только те, которые обладают скоростью вблизи резонансного значения (56) в интервале (57). После достаточно большого числа циклов поглощения с последующим спонтанным испусканием интервал резонансных скоростей Dvx опустошается, так как скорость атомов изменяется вследствие светового давления.

Рис. 5. Распределение атомов по скоростям до взаимодействия с излучением (1 - равновесное макселловское распределение) и после (2). Отстройка частоты W фиксирована

Атомы группируются в соседнем скоростном интервале, где взаимодействие с излучением практически отсутствует. Если W < 0, то этот (соседний) интервал отвечает меньшему значению ½vx½. В итоге функция распределения атомов по скоростям f(vx) в окрестности  резко отличается от максвелловского распределения (рис. 5, кривая 2).

Если теперь достаточно медленно изменять W (в сторону W ® 0), опустошенная область vx будет увеличиваться, а с левого края от нее, в окрестности с Dvx ~ g/k атомов будет становиться все больше и больше. Здесь можно провести аналогию со сгребанием снега бульдозером, только в нашем случае сгребание происходит в пространстве скоростей. Особо интересен случай, когда атомы имеют ненулевую среднюю скорость (vx0 > vт; модель атомного пучка, рис. 6).

Направим излучение навстречу такому пучку и начнем на него воздействовать, стартуя со значения W < - k(vт + vx0) и медленно изменяя W вплоть до W = - g. В произвольный момент времени все атомы, имевшие до того скорость vx > W/k, сосредоточиваются в узком (~ g/k) скоростном интервале слева от интервала резонансных скоростей.

После того как W примет значение W = - g, прекратим ее изменение. Это будет означать (рис. 6), что, во-первых, атомный пучок остановлен и, во-вторых, распределение атомов по скоростям vx стало существенно уже исходного - произошло эффективное охлаждение по одному из направлений движения.

Рис. 6. Процесс торможения и охлаждения атомного пучка (показаны виды распределения атомов по скоростям в последующие моменты времени)

Возникает естественный вопрос: можно ли похожим способом охладить обычный газ атомов и можно ли это сделать для всех трех направлений движения?

Ответ на оба вопроса положителен. Действительно, рассмотрим равновесный газ атомов с максвелловским распределением по скоростям, а излучение возьмем в виде стоячей волны со стартовым значением W < -kvт. Как известно, стоячая волна является суперпозицией двух встречных бегущих волн. Для каждой из них существуют свои значения резонансных скоростей (vx = W/k и vx = -W/k; рис. 7), т. е. бегущие компоненты волны независимо друг от друга взаимодействуют с разными группами атомов.

Так как мы установили W < 0, то импульсы, передаваемые каждой из волн “своим” атомам, приводят к уменьшению абсолютного значения проекции vx их скорости, т. е. к торможению.

Далее мы можем произвести такую же манипуляцию, что и выше. Будем медленно уменьшать ½W½вплоть до W = 0 (рис. 7), опустошая скоростные интервалы ½vx ½>½W½/k. При W = 0 все атомы сосредоточатся в окрестности vx = 0 в интервале Dvx ~ g/k - произойдет эффективное охлаждение по компонентам скорости vx. Степень охлаждения легко оценить, учитывая связь Т = Мvт2/2kБ и вводя эффективную температуру

.        (58)

Таким образом,

.                    (59)

Для характерных значений g ~ 108 c-1, l » 0,5 мкм, vт ~ 5 104см/с имеем

.

Рис. 7. Одномерное охлаждение газа атомов (показано последовательное изменение распределения по скоростям с течением времени)

Как видно, это довольно-таки глубокое охлаждение.

Представляется достаточно очевидными и способ трехмерного, т.е. полного, охлаждения газа атомов. Для этого необходимо взять три ортогонально пересекающиеся стоячие световые волны от одного источника и осуществить перестройку W так, как описано выше. При этом в области пересечения волн произойдет полное охлаждение газа атомов.

Представленное здесь описание процессов торможения и охлаждения, конечно, cильно идеализировано. При экспериментальной реализации исследователям пришлось столкнуться с препятствиями, связанными и с более тонкой внутренней структурой атомов, и с выбором правильных и выполнимых экспериментальных условий. Тем не менее все эти препятствия были преодолены, и эффекты, главные черты которых обсуждены выше, надежно зарегистрированы.

Вынужденное световое давление и локализация атомов

Мы показали, что спонтанным световым давлением можно сильно охладить газ атомов в области пересечения световых волн. Однако, если не предпринять специальных усилий, они покинут эту область в процессе свободного движения. Представляет интерес каким-то образом задержать их здесь, т.е. речь идет об охлаждении и пространственной локализации холодных атомов. Мы обсудим, как это сделать с помощью того же излучения.

Как оказывается, спонтанное световое давление - не единственная сила, действующая со стороны излучения на атомы. С ростом интенсивности излучения становятся существенными новые виды сил. Обсудим их.

Известно, что потенциальная энергия U электрического диполя  (пары связанных разноименных одинаковых по величине зарядов, отстоящих друг от друга на расстоянии а), помещенного в ЭП , есть

U= -,     = q0а,            (60)

где  - единичный вектор в направлении от отрицательного заряда к положительному. К тому же мы знаем, что если потенциальная энергия для какого-то тела зависит от координат, то на него действует сила

 = -ÑU,                     (61)

где ÑU - градиент потенциальной энергии.

Заметим теперь, что ЭП световой волны способно раскачивать электрон относительно ядра атома (на квантовом языке это и означает вынужденные переходы с одного уровня на другой). Следовательно, в атоме наводится дипольный момент, колеблющийся с частотой w (частота вынуждающейся силы):

 = b,                        (62)

где  - ЭП волны, b - коэффициент пропорциональности.

Подставим (62) в (60) и получим

U= - bE2..                    (63)

Таким образом, несмотря на то, что поле колеблется с очень большой частотой, существует отличная от нуля средняя потенциальная энергия взаимодействия. Если излучение неоднородно в пространстве, существует и средняя сила типа (61), которую называют стрикционной силой. В связи с оптическим излучением на нее впервые обратил внимание А.Г. Аскарьян (1962). В бегущей волне пространственная неоднородность обусловлена конечным диаметром светового пучка. Если же используется стоячая волна, то возникает более мелкомасштабная периодическая пространственная неоднородность с характерным размером, равным длине волны излучения l. Средняя по времени потенциальная энергия атома в стоячей волне приобретает вид, показанный на рис. 8. Мыслима ситуация, когда атом, пролетая мимо одной из потенциальных ям, затормозившись спонтанным излучением, свалится в нее и останется там (на возможность такой локализации атома впервые обратил внимание В.С. Летохов (1968)).

Предположим теперь, что три взаимно ортогональные стоячие волны сфокусированы в одну область пространства (область пересечения).

Рис. 8. Средняя по времени потенциальная энергия атома в стоячей волне

В этой области интенсивности волн максимальны и для атомов можно осуществить эффективную потенциальную ловушку. Если проделать те манипуляции, которые описаны выше, то можно одновременно охладить атомы и локализовать их в области пересечения световых пучков [25, 26]. При этом возможна ситуация, когда атомы будут локализованы в пучностях или узлах стоячих волн, образуя тем самым трехмерную пространственную решетку с характерным расстоянием l между узлами решетки. Нарисованная здесь картина несколько идеализирована. Реально тот факт, что потенциальная энергия осциллирует во времени, приводит к более сложному выражению для силы, чем выражение (61) с потенциалом (63). При строгом подходе сила так называемого вынужденного светового давления может способствовать еще более глубокому охлаждению, чем за счет только спонтанного светового давления. При этом ограничением уже будет энергия отдачи при испускании фотона.

В экспериментах по охлаждению атомов для локализации оказалось удобно использовать дополнительные поля (МП, поле микроволнового излучения). Спонтанным и вынужденным световым давлением осуществляют предварительное охлаждение и пространственную локализацию в приготовленной другими полями ловушке. Затем наступает этап получения ультрахолодных атомов. Для этого меняют параметры ловушки таким образом, чтобы за ее пределы уходили высокоэнергетичные атомы, а оставались ультрахолодные. На этом пути удалось опуститься до температуры в единицы микрокельвинов.

Глубокое охлаждение и локализация атомов представляют не только самостоятельный академический интерес. Ультрахолодные атомы - это новый физический объект, интересный во многих отношениях. Прежде всего он может дать новые возможности для спектроскопии сверхвысокого разрешения (полное отсутствие доплеровского уширения). Физика атомных столкновений здесь также найдет для себя много интересного (столкновения очень медленных частиц). При локализации атомов в узлах стоячих волн получаем специфический объект - газовый кристалл, у которого могут оказаться неожиданные интересные свойства. Локализованные в малых объемах атомы могут начать проявлять квантовый характер движения, а если атомов в одной ловушке набралось достаточно и они хорошо охлаждены, то может произойти процесс так называемой бозе-конденсации, т.е. образуется квантовая жидкость, обладающая свойством сверхтекучести. В 1995 году несколько экспериментальных групп за рубежом заявили о том, что им удалось реализовать процессы бозе-конденсации. К настоящему времени уже существуют убедительные доказательства, что бозе-конденсация действительно реализована.

Хотя выше рассмотрено механическое действие излучения на атомарные объекты, есть смысл упомянуть о таком же действии на макрочастицы малых (микронных) размеров. Для ряда задач, в том числе для управляемого ядерного синтеза, существует потребность ускорить такие частицы до больших энергий. В этом способно помочь лазерное излучение высокой интенсивности. С прямым световым давлением здесь конкурирует сила реактивного движения, возникающая за счет импульса отдачи со стороны продуктов испарения. В итоге ожидается возможность достижения скорости частиц до 108 см/с [25].

Другая интересная возможность - ускорение частиц, поглощающих излучение (но не испаряющихся) в жидкости. В данном случае движущей силой является давление, возникающее вследствие испарения жидкости из-за нагрева той части поверхности частицы, где происходит поглощение излучения. Таким способом удалось [26] разогнать частицы микронного размера до скоростей 106 см/с.

4. Диффузионно-химические явления и фотохимические методы

Фотохимическая реакция. Возбужденный атом или молекула в общем случае имеет повышенную способность вступать в химические реакции по сравнению с атомами или молекулами в основном состоянии, и их можно отделить от последних, выбирая подходящую схему химической реакции. Хотя электронное возбуждение часто бывает в этом отношении более эффективным, в случае молекул может оказаться продуктивным и колебательное возбужение. Ниже приведены два примера, иллюстрирующие изотопически селективную фотохимию [21].

В смеси молекул орто-I2 и пара-I2 с 2-гексаном (Х) молекулы орто-I2 возбуждались линией 514,5 нм аргонового лазера. После часового облучения пучком мощностью 0,2 Вт было обнаружено, что плотность орто-I2 снизилась до 5 %. Этот эффект объяснялся тем, что электронно-возбужденные молекулы орто-I2 могли реагировать с 2-гексаном, тогда как невозбужденные молекулы пара-I2 - не могли:

орто-I2  орто- + X ®XI2.

В другом примере газовая смесь, содержащая Н3СОН, D3COD и Br2 в пропорции 1:1:1, облучалась лазером на НF непрерывного действия с длиной волны 2,7 мкм. Возбуждалось колебание ОН молекул Н3СОН. Колебательно-возбужденные молекулы Н3СОН затем сильно реагировали с Br, давая в результате 2НBr и Н2СО :

Н3СОН* + Br2 → 2HBr + H2CO.

В результате после облучения смеси лазером мощностью 90 Вт в течение 60 с отношение концентраций Н3СОН и D3COD снизилось до 1:19. Однако этот результат требует дополнительной проверки.

Химические реакции в описанных примерах были простыми. В результате их получаются стабильные первичные продукты, которые легко можно отделить от исходных молекул. В общем случае, однако, бывает не так. Часто после селективного возбуждения атомов или молекул возникает цепная реакция. В результате неконтролируемых вторичных реакций может произойти перемешивание изотопов.

Одноступенчатая фотопредиссоциация. Унимолекулярная диссоциация является особым классом химических реакций, вызываемых лазерным возбуждением. Если возбуждение является изотопически селективным, то этот процесс можно использовать для разделения изотопов.

Некоторые молекулы имеют резкие ровибронные состояния, накладывающиеся на возбужденное электронное состояние, которое является вырожденным с диссоциационным континуумом другого возбужденного электронного состояния (рис. 9).

Эти состояния носят название предиссоциационных. Они сходны по своей природе с автоионизационными состояниями в ионизационном континууме. Молекула, возбужденная в предиссоциационное состояние, может релаксировать в континуум и диссоциировать. Если резкие предиссоциационные состояния имеют изотопический сдвиг, который можно разрешить в эксперименте, то селективное возбуждение может привести к предиссоциации выделенных изотопических молекул. Продукты диссоциации могут быть стабильными или нестабильными. В последнем случае нужно придумать процесс химической очистки для удаления соединений с выделенным изотопическим составом до того, как произойдет их перемешивание с другими соединениями. Необходимо также предотвратить вторичные химические реакции, которые могут перемещать изотопы. Преиму-ществом метода одноступенчатой предиссоциации является его прос-тота. Для однофотонного селективного возбуждения требуется лишь один лазер сравнительно малой мощности.