В 1997 году Нобелевская премия по физике была присуждена д-ру Уильяму Д. Филлипсу (William D. Phillips), сотруднику Национального института стандартов и технологии (NIST) США, за разработку методов лазерного охлаждения и удержания атомов. Вместе с ним этой высокой для физиков награды были удостоены Стивен Чу (Steven Chu) из Стэнфордского университета США и Клод Коэн-Таннуджи (Claude Cohen-Tannoudji) из Коллеж де Франс.

Родился Уильям Дэниэл Филлипс 5 ноября 1948 года в небольшом городке Уилкс-Бэррэ, штат Пенсильвания. Еще в школьные годы, как он вспоминает в своей автобиографии, "заболел" экспериментаторством: устроил в подвале дома лабораторию, где проводил химические и электрические опыты, в том числе с углеродной дугой, чем немало досаждал своим терпеливым родителям.

Успешно закончив колледж, Билл решает связать свою судьбу с экспериментальной физикой и поступает в Массачусетский институт технологии - знаменитый MIT. Здесь он попадает в группу Дэна Клеппнера (Dan Kleppner), которая занималась изучением водородных мазеров и в которой царил дух товарищества и вдохновенной увлеченности своим делом. Филлипс навсегда запомнил максиму Клеппнера о том, что наилучшей наградой за работу бывает то, что она становится хобби. И, уже будучи Нобелевским лауреатом, сам не раз повторял ее. А потому, проработав двадцать лет "на одном месте" в NIST, не собирается поменять его на более выгодное в финансовом отношении. Там же, в MIT, в 1976 году Филлипс защищает докторскую диссертацию, посвященную измерению магнитного момента протона в молекуле H2O и изучению столкновений возбужденных лазерным излучением атомов.

Через два года, в 1978, Филлипс переходит на работу в Национальное бюро стандартов (тогдашнее название NIST). Здесь он возглавляет группу по изучению охлаждения атомарных газов лазерным излучением. Это явление стало активно изучаться в различных лабораториях мира, начиная с середины 70-х. Суть охлаждения простая - торможение атомов в силу закона сохранения импульса. Впервые идея лазерного торможения была высказана в 1975 году Т. Хэншем и А. Шавловым и заключалась в том, чтобы атомарные газы при комнатной температуре (когда скорость атомов может достигать 500 м/с и более) облучать со всех сторон лазерным излучением с частотой меньшей, чем частота поглощения атома. Однако такая схема охлаждения имела порог, связанный с резонансным поглощением фотонов атомом вследствие допплеровского эффекта. Он был назван допплеровским пределом и теоретически обоснован в 1977 году российскими физиками В. С. Летоховым, В. Г. Миногиным и Б. Д. Павликом. Так, для атомов натрия предел охлаждения мог быть порядка 240 мкК (микро-Кельвинов).

Но охладить атомы натрия до теоретического предела удалось только в середине 80-х группе Стивена Чу в лаборатории Bell. Предварительно приторможенный пучок атомов направлялся в зону охлаждения, образованную шестью попарно встречными лазерными пучками. В этой зоне атомы двигались уже со скоростями порядка 20-30 см/с и образовывали небольшое светящееся облачко из сотни атомов. Поскольку движение атомов в зоне торможения напоминало их движение в густой вязкой жидкости, то его назвали плаванием в "оптической патоке" (optical molasses). Однако эффект был скоротечным: гравитационное притяжение разрушало его в течение примерно 1 с.

Решение и было предложено У. Филлипсом. Еще с начала 80-х годов его группа изучала возможность торможения и удержания атомов с использованием магнитных ловушек, которые получили название "зеемановских замедлителей", поскольку в них использовался известный эффект расщепления энергетических уровней атомов в магнитном поле (эффект Зеемана). Расстояние между уровнями было минимальным в точке с минимальной индукцией поля. При такой схеме атомы перемещались в зону с минимумом индукции. И экспериментальный результат оказался фантастическим. В 1982 г. Филлипсу удалось охладить атомный пучок до температуры, во много раз меньшей теоретического допплеровского предела, а именно - до 0,07 К.

Скомбинировав метод охлаждения атомов в "оптической патоке" Чу и свой метод захвата атомов магнитным полем, Филлипс в 1987 г. создал устройство, в котором гравитационное притяжение атомов к Земле компенсировалось градиентным магнитным полем. Оно получило название магнито-оптической ловушки (MOT - Magneto-Optical Trap). Такая ловушка удерживала самые холодные атомы и позволяла производить измерения на небольших ансамблях атомов. В 1988 г. Филлипс показал, что температура ансамбля атомов натрия может быть понижена до 40 мкК, т.е. в шесть раз ниже допплеровского предела. В 1989 К. Коэн-Таннуджи дал теоретическое объяснение столь необычному результату. Это был тот редкий, нарушающий закон Морфи, случай, когда экспериментальный результат далеко опередил теоретические разработки. Тем не менее, допплеровский предел был уверенно преодолен.

В это же время выяснились новые ограничения на дальнейшее охлаждение атомов, связанные с возрастанием скорости отдачи сверххолодных атомов при испускании ими фотонов. "Предел отдачи" (recoil limit) для натрия составил 2,4 мкК, для цезия - 1,2 мкК. Свои методы преодоления этого предела разработали группы Филлипса, Чу и Коэна-Таннуджи. В результате были достигнуты невероятные температуры: 0,18 мкК (2 см/с) для атомов гелия, 0,1 мкК для атомов натрия, т.е. эксперименты вышли в область нанотемператур. Поведение материи при столь низких температурах имело ряд удивительных особенностей, в частности, реализовывалась так называемая конденсация Бозе-Эйнштейна атомарных газов, т.е. переход ансамбля атомов в одно энергетическое состояние.

Использование "плененных" атомов позволило Филлипсу достигнуть немыслимой ранее точности в измерении времени и, соотвественно, в калибровке атомных часов. Погрешность измерения составляла всего 1 с за 20 миллионов лет. Это был новый стандарт. Так Филлипсу удалось совместить свое хобби с обязанностями сотрудника Национального института стандартов и технологии.

Метод охлаждения и захвата атомов Филлипса-Чу-Коэна-Таннуджи, по сути дела, дал в руки экспериментаторов уникальный инструмент манипулирования отдельными атомами и молекулами. Приложения предложенных методик необозримы. Это создание и атомного интерферометра, и атомного лазера, и, наконец, разработка компонентов будущих квантовых компьютеров. Именно над решением последней проблемы работают в настоящее время три группы исследователей в NIST, одну из которых возглавляет Нобелевский лауреат 1997 года Уильям Филлипс.

Сергей САНЬКО

Phillips, W. D. and Metcalf, H.J. Cooling and Trapping of Atoms // Scientific American, March 1987, p. 36.