История лазера. Научное издание
Шрифт:
В т.н. фонтане атомы подбрасываются вертикально вверх под действием лазеров, а затем под действием тяжести падают вниз, подобно воде в фонтане. Система устроена так, что атомы взаимодействуют с электромагнитным полем и когда они летят вверх, и когда они опускаются вниз. Тем самым увеличивается время взаимодействия. При высоте в 1 м время взаимодействия струе атомов фонтана достигает 1 с.
В 1989 г. Стивен Чу и Курт Гибл в Стэнфордском университете (США) продемонстрировали первый фонтан с использованием охлажденных атомов натрия. Затем, в 1991 г. Клод Коен-Тануджи и Кристоф Саломон из Ecole Normale Superieure (Париж) вместе с Андре Клероном из Парижской Обсерватории использовали цезий. В результате в 1993 г. Клерон построил первый фонтан охлажденных атомов, с помощью которого в 1995 г. была достигнута точность менее 1 с за 30 миллионов лет (огромное достижение).
Необходимость РІ столь точных часах возникает, например, РІ радиоастрономии, или для проверки теории относительности Рйнштейна. Пожалуй, наиболее значительным применением атомных часов является система глобального определения координат (GPS) СЃ помощью спутников. РћРЅР° нужна для навигации Рё различных систем мониторинга. Рспользуется набор 24 спутников РЅР° геостационарных орбитах. Для точного определения РёС… положения используются сигналы СЃ точной РїСЂРёРІСЏР·РєРѕР№ РІРѕ времени. РўРѕРіРґР° положение человека, имеющего приемник, определяется РїРѕ разности времени, которое требуется для прохождения сигналов РѕС‚ спутников РґРѕ приемника. Р’ настоящее время эта система обеспечивает точность определения координат РґРѕ долей метра, что требует определения временных интервалов РґРѕ долей наносекунд (1 РЅСЃ = 109 СЃ).
Ркспериментальное доказательство инверсии населенности
Вернемся Рє экспериментам РїРѕ ядерному резонансу. Некоторые эксперименты, выполненные Блохом Рё его коллегами, имеют большое значение для нашей истории. Р’ некоторых экспериментах РѕРЅРё нашли, что время релаксации РІРѕРґС‹ было между половиной секунды Рё РѕРґРЅРѕР№ минуты. Чтобы определить это значение более точно, был задуман замечательный эксперимент. Образец РІРѕРґС‹ помещался РІ постоянное магнитное поле, достаточно высокой напряженности. РџСЂРё приложении осциллирующего поля СЃ изменяемой частотой наблюдался типичный резонансный РїРёРє. Затем, Р·Р° очень короткое время, направление постоянного поля, вдоль которого прецессируют магнитные моменты, изменяло знак (поле инвертировалось). Вначале наблюдался резонансный РїРёРє, затем РІ течение нескольких секунд этот РїРёРє исчезал Рё СЃРЅРѕРІР° начинал расти, РЅРѕ СЃ отрицательным значением. Рто поведение можно объяснить следующим образом. Первоначально магнитные моменты выстраиваются вдоль направления поля, Р° слабое переменное поле, поглощаясь, индуцирует переходы РІ направление уровней СЃ большей энергией (это РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє РїРёРєСѓ поглощения). РљРѕРіРґР° постоянное поле изменяет СЃРІРѕРµ направление, СЃРїРёРЅС‹ первоначально оказываются ориентируемыми почти антипараллельно, Рё теперь переменное поле индуцирует вынужденные переходы СЃ верхнего СѓСЂРѕРІРЅСЏ РЅР° нижний уровень. Рто РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ РґРѕ тех РїРѕСЂ, РїРѕРєР° РЅРµ будет достигнуто равновесие РІ этом РЅРѕРІРѕРј направлении поля.
В эксперименте Блоха время, необходимое для достижения этого нового равновесия, было около нескольких секунд, и это было как раз то значение релаксации воды, которое и интересовало исследователей. В течение нескольких секунд, необходимых для достижения нового равновесия, населенность спинов была в состоянии инверсной населенности, т.е. с большим числом частиц на более высоком магнитном уровне, чем число частиц на уровне с меньшей энергией.
Блох РЅРµ обратил внимания РЅР° эту особенность, сосредоточившись РЅР° проблеме определения времени релаксации Рё измерения его точного значения. Рнверсная населенность, получаемая таким СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј, получившим название быстрого адиабатического прохождения, была позднее, РІ 1958 Рі., использована, чтобы создать инверсную населенность РІ двухуровневом твердотельном мазере.
Р’ следующем РіРѕРґСѓ Рќ. Бломберген, молодой голландский физик, Рѕ котором РјС‹ более РїРѕРґСЂРѕР±РЅРѕ РїРѕРіРѕРІРѕСЂРёРј позднее, вместе СЃ Парселлом Рё Паундом продолжал изучать времена релаксации. РћРЅ ввел РІ теоретическое рассмотрение уравнения, которые описывают поведение числа атомов, находящихся РЅР° разных энергетических СѓСЂРѕРІРЅСЏС…. Рти уравнения сыграли фундаментальную роль РІ описании действия мазеров Рё лазеров.
Отрицательная температура
Р’ 1951 Рі. Парселл Рё Паунд РІ короткой заметке РІ Physical Review ввели понятие отрицательной температуры Рё показали существование отрицательного поглощения. РћРЅРё рассматривали эксперимент РїРѕ ядерному поглощению Рё рассуждали следующим образом. РџСЂРё напряженностях поля, позволяющих системе быть описанной через ее полный магнитный момент (намагничивание), существенно быстрое обращение (перемена знака, инверсия) магнитного поля должно привести Рє намагничиванию, которое противоположно РЅРѕРІРѕРјСѓ направлению поля. Рто обращение должно осуществляться Р·Р° такое короткое время, чтобы намагничивание РЅРµ могло мгновенно следовать Р·Р° полем. РћРЅРё выполнили эксперимент СЃ образцом флюорида лития, помещаемого РІ магнитное поле, направление которого, после достижения теплового равновесия, быстро обращалось. Рто время инверсии делалось короче, чем СЃРїРёРЅ-решеточная релаксация, Рё, таким образом, конфигурация ядерных СЃРїРёРЅРѕРІ имела достаточно времени, чтобы измениться РІ течение инверсии поля. Р’ пределах короткого интервала времени, РІ течение которого СЃРїРёРЅС‹ остаются инвертированными, получается отрицательное поглощение, С‚.Рµ. испускание.
Ртот эффект показан РЅР° СЂРёСЃ. 40, причем частота периодически варьировалась взад Рё вперед через значение резонансной частоты. РџРёРє, крайне слева, представляет нормальную резонансную РєСЂРёРІСѓСЋ, перед тем как поле инвертируется. Как раз справа РѕС‚ этого положения поле было инвертировано, Рё следующий РїРёРє направлен РІРЅРёР·, что соответствует отрицательному поглощению. Рти отрицательные РїРёРєРё становятся слабее, вплоть РґРѕ состояния, РіРґРµ исчезают Рё положительное Рё отрицательное поглощения (ноль РїРёРєР°). Р’ этом состоянии населенности верхнего Рё нижнего уровней равны. Последующее увеличение положительных РїРёРєРѕРІ показывает РЅРѕРІРѕРµ установление термодинамического равновесия населенностей.
Рис. 40. Типичная регистрация обращения ядерной намагниченности
Если РјС‹ теперь РІСЃРїРѕРјРЅРёРј, что РІ случае молекул, которые РјРѕРіСѓС‚ находиться РЅР° РґРІСѓС… энергетических СѓСЂРѕРІРЅСЏС…, число молекул, находящихся РІ верхнем состоянии, равно числу молекул, находящихся РІ нижнем состоянии, умноженному РЅР° экспоненциальный фактор, который является отрицательным отношением разности энергий РґРІСѓС… уровней Рє kT, то РјС‹ СѓРІРёРґРёРј, что для положительного значения температуры экспоненциальная функция всегда отрицательна, Рё поэтому экспоненциальный член всегда меньше единицы. Рто означает, что населенность частиц РІ верхнем состоянии всегда меньше, чем населенность РІ нижнем состоянии. Ситуация, РїСЂРё которой населенность верхнего СѓСЂРѕРІРЅСЏ больше, чем нижнего, соответствует случаю, РїСЂРё котором экспоненциальный множитель больше единицы. Рто получается, если kT является отрицательным, С‚.Рµ. температура отрицательна.
Отрицательная температура просто означает, что занятие состояний СЃ большей энергией более вероятно, чем состояния СЃ меньшей энергией. Рто получается РІ РѕРґРЅРёС… Рё тех же уравнениях. РќРѕ дело РЅРµ только РІ формулах, отрицательная температура имеет глубокий физический смысл. Через семь лет после введения этого понятия, полное объяснение его значения было дано РґРІСѓРјСЏ исследователями, Абрагамом Рё Проктором. Парселл прокомментировал РёС… работу, РіРѕРІРѕСЂСЏ: Рто как получение свидетельства Рѕ браке через семь лет после рождения ребенка.