МОСКВА, 19 февраля, ДВ-РОСС. Участники очередного заседания Президиума Российской академии наук, прошедшего на этой неделе, заслушали научное сообщение заведующего лабораторией лазерной спектроскопии Института спектроскопии РАН из Троицкого научного центра доктора наук Виктора Балыкина «Атомная оптика и её нанотехнологические приложения».

Атомная оптика является оптикой материальных частиц (наряду с электронной, ионной и нейтронной оптикой) и занимается проблемами формирования ансамблей и пучков нейтральных атомов, управления ими, а также вопросами их применения. Атомная оптика сформировалась в самостоятельную физическую дисциплину в середине 80-х годов в результате исследований по взаимодействию сил светового давления лазерного излучения на поступательное движение атомов. Её развитие тесно связано с развитием методов лазерного охлаждения и локализации нейтральных атомов.

Лазерное охлаждение атомов и их локализация позволяют формировать атомные ансамбли и пучки с заданными параметрами. Лазерное охлаждение позволяет понизить температуры атомов до величины всего лишь на одну миллионную градуса выше абсолютного нуля. При таких температурах атомная длина волны де Бройля становится сравнимой с длиной волны света и начинают заметно проявляться волновые свойства атомов.

В самом названии атомная оптика отражен тот факт, что движение нейтральных атомов в электромагнитных полях во многом подобно поведению световых пучков в неоднородно оптических средах. Хотя у атомной и световой оптики схожие математические обоснования, их технические средства различны. В основе световой оптики лежит техника шлифовки и полировки поверхностей необходимой формы из различных отражающих и прозрачных материалов. В атомной оптике имеется только одна среда – электромагнитное поле. Использование разнообразных конфигураций лазерных световых полей, статических электрических и магнитных полей позволило построить основные элементы атомной оптики, аналогичные элементам обычной оптики – атомные линзы, зеркала, дефлекторы и модуляторы атомных пучков.

Возможности атомной оптики значительно шире в сравнении с другими типами оптик материальных частиц (электронной и нейтронной) из-за наличия у атома внутренней структуры. При температуре близкой к абсолютному нулю, когда длина волны де Бройля становится сравнимой с расстоянием между атомами, поведение атомного ансамбля начинает заметно зависеть от внутренней квантовой характеристики атома – его спина. Разительное отличие между поведением фермионов и бозонов наблюдается при очень малых температурах. В 1924 г. Бозе и Эйнштейн предсказали для бозе-частиц явление их конденсации, получившей название Бозе-Эйнштейновской конденсации (БЭК) и первые атомные конденсаты были получены в 1995 г. несколькими группами американских физиков при использовании методов лазерного и испарительного охлаждения атомов. Магнитная ловушка, удерживающая атомы БЭК, является аналогом оптического резонатора для фотонов в оптическом лазере. Атомы из магнитной ловушки могут быть «выпущены» в определенном направлении (как фотоны через полупрозрачное зеркало оптического резонатора лазера) и они образуют когерентный направленный пучок, аналогичный лазерному лучу. Подобное устройство получило название атомного лазера. Значительный интерес к атомным лазерам связан с потенциальной возможностью применения когерентных атомных пучков в высокоточных измерительных приборах и тонких технологиях при создании атомных и молекулярных нано структур.

Развитые методы лазерного охлаждения и построение основных элементов атомной оптики позволило подойти к её практическому применению в таких областях как атомная интерферометрия, квантовые стандарты частоты и времени, атомная литография и другие.

Методы атомной оптики рассматриваются в качестве альтернативных методов в дальнейшем развитии литографии – атомной нанолитографии. В настоящее время базовые элементы микроэлектроники создаются главным образом методом оптической литографии, позволяющей создавать материальные структуры с размерами порядка 50 нм. Создание структур с меньшими размерами является сложной технологической задачей, имеющей как важное практическое значение, так и представляющей фундаментальный интерес, поскольку создание структур с размерами в области порядка 10 нм образует мост между классическим и квантовым миром. Существует несколько подходов в реализации наноструктур с размерами в несколько десятков нанометров, каждый из которых обладает как достоинствами, так и недостатками. В частности, известны трудности для дальнейшего развития уже апробируемых методов: (а) стандартная оптическая литография имеет дифракционный предел; (б) литография пучков заряженных частиц имеет проблемы, связанные со значительной ролью кулоновского отталкивания; (в) сканирующие зонды обладают низкой производительностью; (г) самоорганизующаяся фабрикация не является универсальным процессом.

В атомной нанолитографии используются нейтральные атомы. Поэтому этот метод обладает рядом преимуществ по сравнению с другими выше перечисленными методами: (а) малым является фундаментальный дифракционный предел на минимально создаваемую структуру, поскольку атомы имеют малые длины волн де Бройля; (б) отсутствуют кулоновские силы отталкивания; (с) манипулирование атомами может производиться параллельно, что позволяет одновременное производство большого количества идентичных наноструктур.

Сообщение Виктора Балыкина прокомментировали участники заседания Президиума. Директор Института лазерной физики Сибирского отделения РАН, председатель Научного совета по оптики и лазерной физике академик Сергей Багаев отметил, что «в последние несколько лет нам вновь удалось вернуться на мировой уровень. Достижения, имеющиеся в этой области сегодня, дают возможность для прецезионных измерений и для фундаментальных исследований в физике. Одним из практических направлений применения является и система ГЛОНАСС. Возможно использование оптических атомных щитов не только на Земле, но и в космосе».

Доктор физико-математических наук Виталий Панченко подчеркнул, что «в НИИ физикотехнических и радиотехнических измерений сигнал точного времени и частоты – сфера занятий. Стандарт частоты использует механизм лазерного охлаждения, упомянутый в докладе. Россия вернулась в число стран, которые являются законодателями в области точного времени. Разработка хранителей времени ведется с помощью технологий атомной оптики».

Академик Эрик Галимов Эрик Михайлович: Если бы мы поддерживали имена своих ученых, один из родоначальников выдающихся представителей этого направления – В.С. Летохов – не остался бы за рубежом.

Директор ордена Ленина и ордена Октябрьской революции Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН академик Александр Андреев подчеркнул, что физика вышла из микроскопики и сейчас стала управлять макроскопическими явлениями.

Президент РАН, академик Юрий Осипов в заключение поблагодарил автора и предложил создать на сайте РАН специальную страницу по популяризации научных исследований РАН, а автору научного сообщения – подготовить специальную статью для этой страницы.