Фізики навчилися відстежувати населеності рівнів холодних атомів рубідію, вимірюючи сигнал відбитого від них мікрохвильового випромінювання. Вони показали, що такий спосіб відрізняється від традиційних технік, пов'язаних з вимірюванням спектрів випромінювання або поглинання, тим, що він майже не руйнує когерентність стану. Робота опублікована в.
Активне вивчення того, як атоми і молекули взаємодіють з електромагнітним випромінюванням, привело фізиків до можливості когерентного контролю та управління їх станами. Вчені можуть з високою точністю передбачити квантову динаміку всередині холодних атомів і пов'язувати її з умовами, в які атоми поміщені. Цей принцип реалізується в надточних акселерометрах, гравітометрах, атомних годинниках та інших пристроях.
Головна характеристика атомних ансамблів, якою зазвичай цікавляться фізики, - це населеність їхніх рівнів, яка безпосередньо пов'язана з імовірностями знайти атоми в тому чи іншому стані. Зазвичай населеність вимірюється або шляхом детектування випромінювання при релаксації атомів, або, навпаки, за допомогою поглинання резонансного випромінювання. Це потужні методи, засновані на принципах класичної спектроскопії, чия роздільна здатність дозволяє досліджувати одиночні атоми, проте їх мінусом стало те, що акт вимірювання руйнує когерентність і перериває квантову динаміку. Як альтернативу був розвинений цілий спектр оптичних неруйнівних методів визначення населеності, але всіх їх об'єднує апаратна складність, що не дозволяє домогтися компактності.
Щоб впоратися з цією трудністю група французьких фізиків з Паризької обсерваторії та Університету Сорбонни за участю Карлоса Гаррідо-Альзара (Carlos Garrido-Alzar) запропонувала проводити недеструктивний когерентний контроль не в оптичному, а в мікрохвильовому діапазоні. Досі мікрохвилі використовувалися переважно для маніпуляції станами холодних атомів. Іншими словами, фізики знали і використовували те, як мікрохвильове випромінювання змінює атоми. Автори нової роботи в свою чергу зацікавилися зворотним процесом: як стан атомів впливає на поле. Виявилося, що це можна використовувати для вилучення інформації про квантову динаміку в холодних атомах.
Взаємодію атомів з випромінюванням прийнято описувати в рамках квантової оптики. Зокрема, якщо опромінювати систему, що володіє парою рівнів, резонансним або навколорезонансним випромінюванням, ймовірність знайти її на одному з них почне осцилювати з частотою, яку називають частотою Рабі. Частота Рабі залежить від властивостей дворівневої системи, інтенсивності випромінювання і його відбудови від резонансної частоти. Керуючи цими параметрами, можна контролювати динаміку населеності атомних рівнів. Фізики з'ясували, що населеність впливає на хвильовий опір середовища, в яке поміщені атоми, і може бути рахована за допомогою зондуючого випромінювання.
Для реалізації цієї схеми автори приготували близько ста тисяч атомів рубідію з температурою близько трьох мікрокельвін. Як пару рівнів використовувалися подуровни надтонкого розщеплення F = 1, mF = 0 і F'= 2, m ^ F = 0. Їх називають вартовими станами, оскільки це досить часто використовувана пара рівнів при створенні атомних годинників. Потім атоми рубідію в режимі вільного падіння опромінювалися мікрохвилями з рупорної антени. Відображені хвилі збиралися тією ж антеною, а їх сигнал через двонаправлений відгалужувач переводився на аналізатор.
У цьому досвіді, фактично, одна і та ж антена використовувалася і для управління квантовою динамікою, і для її вимірювання. Щоб верифікувати ці вимірювання, фізики відразу ж після опромінення мікрохвилями застосовували метод спектроскопії поглинання. Порівнюючи отримані двома методами результати, автори зазначили, що характер динаміки в обох випадках однаковий і відповідає теоретичним моделям. Разом з тим вони відзначають, що використання однієї і тієї ж антени для маніпуляції і для детектування вносить спотворення.
Щоб уникнути цих спотворень, автори провели другу серію експериментів. У ній вони досліджували залежність населеності верхнього рівня від часу керуючого мікрохвильового імпульсу. При цьому використовувалося дві різні послідовності дій (протоколу). Перший протокол являв собою серію попередніх дослідів, які відрізнялися один від одного тривалістю керуючих імпульсів. Його важливою особливістю стало те, що для кожної нової точки при побудові залежності від часу імпульсу необхідно було заново готувати атомну систему, оскільки спектроскопічний вимір переривав динаміку.
Другий же протокол, названий стробоскопічним, вироблявся на одному і тому ж ансамблі атомів, тому що для вимірювання населеності в ній використовувалося тільки мікрохвильове детектування, що дозволило багаторазово повторювати цей вимір. Крім того, в цьому випадку керуючий імпульс випромінювався вже за допомогою додаткової дипольної антени.
В результаті автори поспостерігали осциляції Рабі для обох протоколів експерименту. Мале загасання цих осциляцій у разі другого протоколу свідчить про невеликі втрати когерентності станів атомів, який фізики оцінили в 0,04 відсотка. На їхню думку, така стабільність може знайти застосування в інтерферометрії, а також при роботі з атомним годинником і сенсорами на холодних атомах.
Розвиток техніки роботи з холодними атомами дозволяє досягати прогресу в багатьох напрямках, в тому числі і в створенні атомних годинників. Ми вже розповідали раніше, як фізики збільшували точність атомних годин і навіть запустили їх у космос.