Синтез и исследование свойств азидсодержащих

Бучаченко Алексей Анатольевич
Влияние спин-орбитального взаимодействия на эффективность захвата холодных
атомов металлов в магнитную ловушку
Аннотация
Создание, стабилизация и преобразование ансамблей атомов, охлажденных до
температур ниже 1 мК, остаются важными задачами химической физики и обещают как
фундаментальные результаты (проверку физических гипотез, выходящих за рамки
стандартной модели), так и практические приложения (сверхточные измерения, квантовая
криптография и компьютинг). Все больший интерес представляют ансамбли атомов
металлов, обладающих богатым спектром электронных состояний для реализации
оптического контроля и циклов накачки. Из существующих методов наиболее
универсальным является загрузка в магнитную ловушку с буферным газом и
последующим испарительным охлаждением. Столкновения с атомами буферного газа
(обычно гелия) приводят к эффективному снижению кинетической энергии исследуемых
атомов ниже потенциала захвата магнитной ловушки. При этом возможен захват атомов в
эеемановских состояниях с энергией, увеличивающейся с напряженностью поля.
Столкновения с атомами буферного газа могут индуцировать переходы из этих состояний
в состояния с противоположным градиентом энергии. Таким образом, возможность
захвата в ловушку определяется конкуренцией двух столкновительно-индуцированных
процессов – переноса момента и зеемановской релаксации.
Механизм зеемановской релаксации связан с наличием анизотропии межатомного
взаимодействия при ненулевом орбитальном угловом моменте атома. Долгое время
считалось, что метод загрузки в магнитную ловушку с буферным газом вообще применим
только для атомов в S-состояниях, чье взаимодействие с атомами He изотропно. Сейчас
известен ряд исключений из этого правила, в которых особенности электронной
структуры приводят к подавлению анизотропии взаимодействия (например, атомы
лантанидов с открытыми оболочками, экранированными заполненной s-оболочкой) [1].
Очевидно, что векторное спин-орбитальное взаимодействие, связывающее спиновую
динамику в магнитном поле с пространственной динамикой столкновений, должно играть
существенную роль в определении анизотропии взаимодействия.
Возможности современных неэмпирических методов квантовой химии и теории
рассеяния позволяют выявлять тонкие эффекты электронной структуры, надежно
оценивать сечений зеемановской релаксации и прогнозировать вероятности захвата
конкретных атомов. Согласно теоретическим предсказаниям, спин-орбитальное
взаимодействие действительно оказывает огромное влияние на динамику, зачастую
полностью изменяя картину, ожидаемую в нерелятивистском приближении.
Ярким примером является предсказание возможности захвата атомов с основным
состоянием 2P1/2. Значительная анизотропия взаимодействия, характерная для P-состояний
в нерелятивистском случае, при наличии спин-орбитального взаимодействия сохраняется
в мультиплете 2P3/2, но исчезает в мультиплете 2P1/2. Поскольку ядерный орбитальный
момент столкновения смешивает два мультиплета, чем больше расщепление между ними,
тем больше вероятность захвата атома в ловушку. Это предсказание, сделанное для
атомов Ga и In [2], было подтверждено уникальным экспериментом, поставленным в
Центре ультрахолодных атомов Гарварда-МИТ для наименее благоприятного случая
атома Al [3]. Теоретическая модель позволила также установить оптимальные
соотношения спин-орбитального расщепления и энергии взаимодействия атомов при
взаимном охлаждении. Согласно предварительным расчетам, наиболее перспективен
контакт Tl-Mg, реализация которого важна для уточнения верхней границы величины
дипольного момента электрона.
Случай атомов пниктогенов (элементов 15ой группы периодической системы) в
состояниях 4S демонстрирует противоположный эффект спин-орбитальной связи. За счет
взаимодействия с возбужденными состояниями, коррелирующими с атомными термами 2P
и 2D, в комплексах этих атомов с гелием возникает расщепление компонент 41/2 и 43/2,
индуцирующее эффективную зеемановскую релаксацию в столкновениях. Действительно,
прецизионные расчеты показали, что атом сурьмы в состоянии 4S3/2 не может быть
захвачен в ловушку в поле порядка 1 Т. Этот результат согласуется с данными
теоретического анализа дипольной поляризуемости и подтвержден экспериментально тем
же авторским коллективом [4].
Проведенные исследования доказывают надежность теоретических предсказаний и
возможность их использования для создания и оптимизации экспериментальных методов
работы с ультрахолодными атомными ансамблями.
1. A. A. Buchachenko, Yu. V. Suleimanov, M. M. Szczesniak, and G. Chalasinski,
Interactions and collisions of cold metal atoms in magnetic traps, Phys. Scripta 80, 048109
(2009).
2. T. V. Tscherbul, A. A. Buchachenko, A. Dalgarno, M.-J. Lu, and J. D. Weinstein,
Suppression of Zeeman relaxation in cold collisions of 2P1/2 atoms, Phys. Rev. A 80, 040701(R)
(2009).
3. C. B. Connolly, Y. S. Au, E. Chae, T. V. Tscherbul, A. A. Buchachenko, H.-I Lu, W.
Ketterle, and J. M. Doyle, Spin-orbit suppression of cold inelastic collisions of aluminum and
helium, Phys. Rev. Lett. (submitted, 2012).
4. C. B. Connolly, Y. S. Au, E. Chae, T. V. Tscherbul, A. A. Buchachenko, W. Ketterle,
and J. M. Doyle, Zeeman relaxation induced by spin-orbit coupling in antimony-helium
collisions, Phys. Rev. A (in preparation).