Спектроскопия когерентных и нелинейных процессов в ридберговских атомах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Рябцев Игорь Ильич

СПЕКТРОСКОПИЯ КОГЕРЕНТНЫХ И НЕЛИНЕЙНЫХ ПРОЦЕССОВ В РИДБЕРГОВСКИХ АТОМАХ

01.04.05 "Оптика"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Новосибирск - 2005

Работа выполнена в Институте физики полупроводников Сибирского Отделения Российской академии наук

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

член-корреспондент РАН Шалагин Анатолий Михайлович

доктор физико-математических наук Ключарев Андрей Николаевич

доктор физико-математических наук Тайченачев Алексей Владимирович

Ведущая организация: Институт лазерной физики СО РАН

Защита состоится " " 2005 г. в /Р часов на

заседании диссертационного совета Д 003.005.01 при Институте автоматики и электрометрии СО РАН, 630090 Новосибирск, просп. акад. Коптюга, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института автоматики и электрометрии СО РАН.

Автореферат разослан O&t-CfcJ&jAS. 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н.

Насыров К.А.

лзт

Яъ-Чооз

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В последние годы в атомной и лазерной физике значительно расширился круг задач, в которых когерентные и нелинейные процессы при взаимодействии атомов с электромагнитным излучением играют важную роль и могут бьггь использованы для выполнения тонких экспериментов и практических приложений [1-6]. Экспериментальное изучение этих явлений в обычных атомах представляет собой непростую задачу, что обусловлено разного рода релаксационными процессами, приводящими к быстрой потере когерентности, необходимостью использования больших атомных ансамблей для регистрации сигналов, и вторичными процессами в интенсивном электромагнитном поле, искажающими истинную картину взаимодействия излучения с одиночным атомом. Поэтому для более детального изучения когерентных и нелинейных процессов требовалось найти такой многоуровневый квантовый объект, который позволил бы проводить эксперименты на сравнительно больших масштабах времен, при низких интенсивностях излучения, и, что особенно важно, при низкой плотности атомов или даже для одиночных атомов. Этим объектом стали атомы в высоковозбужденных, так называемых ридберговских состояниях [7-10], которые являются предметом исследований настоящей диссертации.

В ридберговском атоме один из электронов находится в состоянии с главным квантовым числом п » 1. Такие атомы привлекают внимание исследователей рядом существенных отличий от атомов в низковозбужденных состояниях: 1) длины волн переходов между ридберговскими состояниями лежат в микроволновой и инфракрасной области спектра, что позволяет проводить эксперименты с высоким спектральным разрешением; 2) дипольные моменты переходов достигают сотен и тысяч атомных единиц, поэтому можно изучать не только однофотонные, но и многофотонные процессы высокого порядка при чрезвычайно низкой интенсивности излучения; 3) большие времена жизни ридберговских состояний обеспечивают сохранение когерентности в течение длительного времени; 4) высокая чувствительность к внешнему электрическому полю дает возможность эффективно управлять энергиями уровней и вероятностями переходов; 5) метод селективной ионизации электрическим полем (СИЭП) позволяет детектировать одиночные ридберговские атомы и идентифицировать их состояния.

Перечисленные выше свойства открыли широкие возможности для экспериментального и теоретического изучения когерентных и нелинейных процессов в ридберговских атомах, их сопоставления с аналогичными про-

цессами в низковозбужденных атомах и наблюдения ряда новых эффектов, недоступных для наблюдения в обычных атомах. Это осцилляции Раби на одно- и многофотонных переходах [11], мазерная генерация на одиночных атомах (в том числе и на двухфотонных переходах) [12-14], возбуждение когерентных волновых пакетов сверхкороткими лазерными импульсами [15], когерентный контроль многофотонной ионизации [16], квантовая интерференция, биения и эффекты пересечения уровней в магнитном и электрическом полях [17,18], биения Рамзея [12] и др.

Однако экспериментальные данные по когерентным и нелинейным процессам в ридберговских атомах были далеко не полными на момент постановки задачи в середине 1980-х годов. Например, не были изучены такие явления, как динамический эффект Штарка на многофотонных переходах, влияние электрического поля на спектры и вероятности многофотонных переходов, квантовая интерференция вырожденных состояний в электрическом и магнитном поле, кинетические эффекты при взаимодействии ридберговских атомов с излучением и квантовая интерференция при фотоионизации ридберговских атомов. Этим определяется актуальность выбранной темы диссертации.

Целью диссертационной работы являлось систематическое экспериментальное и теоретическое изучение когерентных и нелинейных процессов при оптических и микроволновых переходах между ридберговскими состояниями и при фотоионизации атомов, а также экспериментальная демонстрация возможных практических применений полученных результатов. Работы в этом направлении являлись логическим продолжением и развитием исследований, начатых автором в кандидатской диссертации [19]. В настоящей работе основное внимание уделялось выявлению особенностей когерентного взаимодействия одиночных ридберговских атомов с излучением, нелинейным многофотонным процессам, квантовой интерференции, развитию новых экспериментальных методик для исследования и управления ридберговскими атомами. Все эксперименты выполнялись с тепловым пучком атомов N8 и проводились в следующих направлениях:

1. Разработка новых схем лазерного возбуждения и методик проведения экспериментов с ридберговскими атомами [2*].

2. Исследование спектров одно- и многофотонных микроволновых переходов из ридберговских иР состояний в области п = 30-40 [4*Д8*,22*].

3. Изучение статического и динамического эффектов Штарка на микроволновых переходах между ридберговскими состояниями [1*, 6*, 17*, 19*].

4. Спектроскопия двойного штарковского резонанса на двухфотонных переходах иР-»(и+1)Р и его использование для калибровки напряженности слабого электрического поля в вакууме [3*,5*,11*,25*].

5. Исследование кинетических эффектов при многофотонном взаимодействии с интенсивным микроволновым излучением [9*,10*,12*-16*].

6. Изучение особенностей взаимодействия теплового фонового излучения с ридберговскими атомами в микроволновом резонаторе [20*].

7. Исследование квантовой интерференции вырожденных состояний при микроволновых переходах в ридберговских атомах и реализация различных схем квантовых интерферометров [21*,23*,24*].

8. Изучение квантовой интерференции и полярной асимметрии диаграммы вылета фотоэлектронов при одно- и двухфотонной ионизации из возбужденного состояния 4Я излучением второй и первой гармоник Ш:УАО-лазера, а также измерение сечений фотоионизации [7*,8*].

Научная новизна полученных результатов заключается в обобщении новой экспериментальной информации о когерентных и нелинейных процессах при оптических и микроволновых переходах в ридберговских атомах. Отсутствие спонтанной релаксации и столкновительного уширения линий позволили впервые наблюдать двухфотонный динамический эффект Штарка, двойной штарковский резонанс в постоянном электрическом поле, исследовать эффект Ханле для микроволновых переходов, реализовать новую схему квантового интерферометра с импульсным электрическим полем, наблюдать и исследовать интерференцию каналов одно- и двухфотонной ионизации излучением второй и первой гармоник Ш:УАО-лазера. Особо следует отметить, что применение оригинальных методик проведения экспериментов позволило измерять и накапливать сигналы от одиночных ридберговских атомов при низкой концентрации атомного пучка.

Практическая значимость полученных результатов заключается в возможных применениях для спектроскопии высокого разрешения, квантовых неразрушающих измерений, атомных интерферометров, измерения электрических полей, когерентного контроля фотоионизации и т.д. Новая область применения ридберговских атомов, которая активно обсуждается в последнее время - это квантовые компьютеры, основой которых являются так называемые "перепутанные" когерентные состояния двух и более атомов. Разработанные нами методики контроля и управления состоянием ридберговских атомов могут быть использованы для получения перепутанных состояний, например, на основе диполь-дипольного или ван-дер-ваальсовского взаимодействия при кратковременном возбуждении холодных локализованных атомов из основного состояния в ридберговские [20].

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Изменение спектральной плотности осцилляторов электромагнитного поля в микроволновом резонаторе приводит к увеличению скорости переходов между ридберговскими состояниями под действием теплового фонового излучения, что может значительно уменьшать эффективное время жизни этих состояний. В эксперименте при добротности резонатора и 7000 и температуре 100 К, скорость перехода 37Р—>37Б в поле 30 тепловых фотонов в одной моде резонатора возрастает в 80 раз и достигает (30000 ± 6500) с-1, что согласуется с выполненными теоретическими расчетами.

2. Квантовый интерферометр на основе кратковременного штарковского расщепления вырожденных ридберговских состояний позволяет эффективно управлять вероятностями микроволновых переходов У-типа с помощью изолированного во времени импульса слабого электрического поля, вызывающего только сдвиг фаз вырожденных состояний без изменения их населенностей. Измеряемый интерференционный сигнал обладает высокой чувствительностью к разности фаз начальных состояний, которая задается поляризацией возбуждающего лазерного излучения и прецессией магнитного момента в лабораторном магнитном поле.

3. Форма сигнала Ханле для вынужденных микроволновых переходов в ридберговских атомах представляет собой сумму нескольких контуров различной ширины, которые соответствуют переходам между различными магнитными подуровнями. Благодаря большим временам жизни ридберговских состояний ширина огибающей сигнала Ханле определяется в основном временем взаимодействия с микроволновым излучением, а сам сигнал может сопровождаться квантовыми биениями вследствие интерференции вырожденных состояний в магнитном поле.

4. Расщепление линий вследствие двухфотонного динамического эффекта Штарка впервые наблюдалось и исследовалось методом пробного поля на микроволновом переходе 36Р—>37Р в ридберговских атомах Иа. Измеренное расщепление линий 15 МГц при интенсивности микроволнового поля 3,410~4 Вт/см2 хорошо описывается трехуровневой моделью 36Р-378-37Р двухфотонного перехода благодаря малости отстройки реального промежуточного уровня 378 от виртуального промежуточного уровня двухфотонного перехода.

5. Эффект двойного штарковского резонанса на двухфотонных переходах иР-»(и+1)Р в атомах № возникает вследствие пересечения реального промежуточного уровня («+1)5 с виртуальным уровнем двухфотонного перехода в электрическом поле. Он проявляется как резкое увеличение

ширины спектра и вероятности микроволнового перехода в узком интервале напряженностей электрического поля, и может быть использован для абсолютной калибровки напряженности электрического поля в вакууме.

6. Интенсивное микроволновое поле может изменять кинетику и профиль пучка ридберговских атомов вследствие градиентной силы, действующей в стоячей волне. Этот процесс наиболее эффективен для многофотонных микроволновых резонансов благодаря увеличению пространственного градиента потенциала взаимодействия атомов с полем стоячей волны.

7. Квантовая интерференция каналов одно- и двухфотонной фотоионизации излучением второй и первой гармоник Nd:YAG-na3epa из возбужденного 48-состояния Na приводит к предсказанной полярной асимметрии диаграммы вылета фотоэлектронов. Измеренное сечение двухфотонной ионизации 48-состояния излучением первой гармоники Nd:YAG лазера (5,5 ± 2,7)-10-47 см4-с совпадает с расчетами по трехуровневой модели с промежуточным уровнем 5Р.

Личный вклад автора. Все результаты, вошедшие в диссертацию, получены при личном определяющем участии автора в постановке задач, разработке методов их решения, подготовке и проведении экспериментов, анализе и представлении результатов.

Апробация работы. Основные результаты по теме диссертации докладывались и обсуждались на семинарах ИФП СО РАН, ИАиЭ СО РАН, ИЛФ СО РАН, МФТИ, ЛГУ, Международных Вавиловских конференциях по нелинейной оптике (Новосибирск 1987, 1990, 1997); XX Всесоюзном съезде по спектроскопии (Киев, 1988); Всесоюзных семинарах по лазерной резонансной ионизационной спектроскопии (Новосибирск 1988, 1991); Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике ICONO (Санкт-Петербург 1991, 1995; Москва 1998; Минск 1988, 2001); Международных конференциях по резонансной ионизационной спектроскопии RIS (Гайтерсбург 1988; Бернкастель-Куес 1994); Международных конференциях по многофотонным процессам ICOMP (Париж 1990, 1996); Международных конференциях по атомной физике ЮАР (Амстердам 1996; Виндзор 1998; Флоренция 2000); Международной конференции MPLP-2000 (Новосибирск 2000); Европейской конференции по атомной и молекулярной физике ЕСАМР-7 (Берлин 2001); Международной конференции по квантовой электронике IQEC-2002 (Москва 2002); Международной конференции по квантовой информации (Сан-Фелиу 2002); Международной конференции Европейской группы по атомной спектроскопии EGAS-31 (Марсель 1999).

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 25 публикациях [1*-25*], включающих 17 статей в рецензируемых журналах, 2 статьи в тематических сборниках и 6 статей в трудах международных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с изложением материала диссертации, и заключения, в котором перечислены основные результаты. Общий объем диссертации составляет 222 страницы, включает 66 рисунков и список литературы из 204 наименований.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и научная новизна работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации рассмотрены основные свойства ридбер-говских атомов и проведен обзор современного состояния исследований по микроволновой спектроскопии и фотоионизации ридберговских атомов.

Во второй главе приведено описание экспериментальной установки и разработанных методик для микроволновой и фотоионизационной спектроскопии ридберговских атомов Ш.

В §2.1 описывается новая трехступенчатая схема ЗЗ^—>ЗРз/2—МЭ^

—>иР/=1/2,з/2 оптического возбуждения ридберговской иР-серии в атомах Иа с использованием двух импульсных перестраиваемых лазеров на красителях и лазера на центрах окраски [2*]. На первой ступени (А.1 = 589 нм) использовался лазер на красителе Родамин 6в с накачкой излучением второй гармоники Ш:УАС-лазера (А. = 532 нм). На второй ступени (Х2= 1,14 мкм) использовалось излучение лазера на -центрах окраски в кристалле 1ЛР с накачкой излучением основной частоты Ш:УАО лазера (X = 1,064 мкм). На третьей ступени (Х3 = 640-680 нм) использовалось излучение серийного перестраиваемого лазера на красителе ЛЖИ-504 с накачкой лазером на парах меди (Х = 510 нм). Особенностью данной схемы является использование лазера на центрах окраски и лазера на парах меди. Они обеспечивали высокую частоту повторения импульсов (до 10 кГц), что позволяло отслеживать быстрые изменения сигналов в реальном времени.

В §2.2 приведено описание двух вариантов источника пучка и системы регистрации ридберговских атомов N3. Все эксперименты выполнялись с эффузионным пучком с температурой 500 К и концентрацией 106— 108 ат/см3 в вакуумной камере при давлении

остаточных газов от 3-1 (Г7 до 310~бТорр. Система регистрации ридберговских атомов была основана на методе селективной ионизации электрическим полем (СИЭП) [7]. Образовавшиеся в результате ионизации электроны регистрировались электронным умножителем ВЭУ-6, сигнал с которого подавался на счетчик импульсов с амплитудным дискриминатором и управляемым ключом, синхронизированным с лазерными импульсами. Система регистрации работала в режиме счета импульсов, поэтому регистрировались и накапливались сигналы от одиночных ридберговских атомов. Для уменьшения влияния теплового фонового излучения, которое вызывает нежелательные переходы между соседними ридберговскими состояниями и уменьшает их времена жизни, все элементы системы регистрации и ввода микроволнового излучения охлаждались до температуры жидкого азота 77 К с помощью вакуумного криостата.

В §2.3 изложена методика проведения экспериментов по микроволновой спектроскопии. В качестве источников излучения использовались один или два генератора на лампе обратной волны Г4—142, работающие в диапазоне 53-78 ГГц. Ширина линии генератора была 1-2 МГц в режиме свободной генерации и менее 20 кГц в режиме активной привязки к кварцевому синтезатору частоты. Микроволновое поле индуцировало переходы между начальным ридберговским иР-состоянием и конечным состоянием микроволнового перехода, что приводило к изменению их населенностей. Поскольку переходы осуществляются между близколежащими ридберговскими состояниями, заселенности как нижнего, так и верхнего уровней перехода контролировались с помощью одного и того же метода СИЭП. Это позволило разработать оригинальную методику обработки сигналов с автоматической нормировкой на плотность атомов в пучке и мощность излучения лазера на третьей ступени возбуждения.

В третьей главе представлены результаты экспериментов по микроволновой спектроскопии когерентных и нелинейных процессов при одно-фотонных переходах в ридберговских атомах N8. Эксперименты проводились с переходами 36Р-378 и 37Р-378 (частоты 70 и 75 ГГц), однако полученные результаты могут быть обобщены на любые другие переходы типа п?-п'5 между ридберговскими состояниями.

В §3.1 и §3.2 было проведено детальное исследование влияния магнитных и электрических полей на спектры однофотонных переходов и измерены поляризуемости ридберговских состояний в слабом электрическом поле [17*,22*]. Для Б и Р состояний наблюдался квадратичный эффект

Штарка. Взаимодействие с внешними полями использовалось в дальнейшем для управления энергиями и фазами ридберговских уровней.

В §3.3 приведены результаты экспериментов по наблюдению расщепления линии микроволнового перехода 36Р-378 вследствие динамического эффекта Штарка (эффект Аутлера-Таунса [21]), что позволило осуществить абсолютную калибровку напряженности микроволнового поля [4*]. Впервые в экспериментах по микроволновой спектроскопии ридберговских атомов был применен метод пробного поля [3], или двойного микроволнового резонанса в трехуровневой схеме, для чего использовались излучения сразу двух микроволновых генераторов. Один из генераторов настраивался в резонанс с переходом 36Р-37Б ("сильное" поле), а частота другого сканировалась в окрестности перехода 378-37Р ("пробное" поле), при этом измерялась населенность конечного состояния 37Р. Лазерные импульсы возбуждали начальное состояние 36Р. Как и ожидалось, в слабом поле наблюдались две компоненты тонкой структуры перехода 37Б-37Р. При увеличении интенсивности "сильного" поля до 3,4-10"4 Вт/см2 наблюдалось расщепление этих компонент А\> ~ 400 МГц. Для калибровки микроволнового поля использовалось расчетное значение дипольного момента перехода 37Р-378, равное 1372 а.е. В результате была получена связь напряженности микроволнового поля с наблюдаемым динамическим расщеплением: Е(В/см) =1,1610~9 Ду (Гц). В дальнейшем калибровка интенсивности осуществлялась на основе этой формулы.

В §3.4 изучались вынужденные переходы под действием тепловых фотонов в микроволновом резонаторе [20*]. Как известно, при помещении атомов в резонатор скорости отдельных переходов могут возрастать благодаря увеличению спектральной плотности осцилляторов электромагнитного поля в области резонанса (эффект Парселла [22]). Фактически это явление обусловлено сужением спектра колебаний поля тепловых фотонов, и его можно отнести к одной из разновидностей когерентных процессов, несмотря на статистическую природу теплового излучения. Важность его изучения обусловлена тем, что в экспериментах с ридберговскими атомами металлические части системы регистрации и тепловые экраны зачастую образуют низкодобротный микроволновый резонатор, который может изменять времена жизни отдельных состояний и приводить к их отличиям от теоретических расчетов, выполняемых, как правило, для свободного пространства.

Скорость вынужденных переходов между двумя ридберговскими состояниями под действием поля тепловых фотонов в настроенном на часто-

ту перехода со резонаторе с добротностью Q и эффективным объемом У3фф дается выражением [13]:

Г = Г0Ять (1)

где Г0 - скорость спонтанных переходов в свободном пространстве, и = [ехр(йсо / кТ) -l]_1 - среднее число тепловых фотонов в одной моде электромагнитного поля при температуре резонатора Т, т\ = Ъ()>} l(4n2V^ф) - фактор Парселла, отражающий увеличение спектральной плотности осцилляторов поля. Особенностью микроволновых переходов является то, что размеры резонатора могут быть сравнимы с длиной волны (¥эфф ~ Хг ).

Нами было исследовано влияние теплового излучения на скорость микроволнового перехода 37Р3/2—37Si/2 в ридберговских атомах Na, пролетающих через цилиндрический резонатор с добротностью Q ~ 7000 и эффективным объемом Уэфф «0,5 см3 (мода Н115). По известным параметрам

резонатора находим т|« 80. Все элементы системы регистрации и резонатор охлаждались жидким азотом до температуры 100 К, что соответствовало ñ » 30. Расчетное значение Г0 составляет 12 с4, откуда получаем скорость перехода в настроенном резонаторе Г » 28800 с-1.

Населенность конечного состояния 37S после пролета атомов через резонатор регистрировалась с задержкой 10—190 мкс относительно лазерного импульса, возбуждающего начальное состояние 37Р. При расстроенном резонаторе наблюдался фоновый сигнал, обусловленный переходами под действием столкновений с остаточщлми газами в вакуумной камере с измеренной скоростью (15000 ± 3000) с-1. Настройка резонатора на частоту перехода приводила к значительному росту сигнала. Ширина резонанса (»10 МГц) определялась в основном добротностью резонатора, поскольку естественная ширина перехода (5 кГц) и допплеровская (200 кГц) были малы. Измерения по времяпролетной методике позволили извлечь экспериментальное значение абсолютной скорости перехода под действием тепловых фотонов (30000 ± 6500) с-1, хорошо совпадающую с расчетной. Отметим, что эта величина в 3 раза превышает полную скорость радиационного распада состояния 37Р, рассчитанную для свободного пространства.

В §3.5 представлены результаты экспериментов с квантовым интерферометром на основе импульсного штарковского расщепления [21*]. Впервые исследовалось влияние квантовой интерференции на вероятности

микроволновых переходов между вырожденными ридберговскими состояниями на примере перехода 37Р3/2 —>3781/2. Микроволновое поле с линейной ст-поляризацией (ортогональной оси квантования) индуцировало переходы из двух различных магнитных подуровней состояния 37Р3/2 на один магнитный подуровень состояния 378^ в схеме У-типа. В такой схеме населенность конечного состояния зависит от разности фаз интерферирующих подуровней состояния 37Р3/2. Если каким-либо образом изменять эту разность, даже без изменения населенностей, можно управлять полной вероятностью микроволнового перехода. В ридберговских атомах это легко сделать с помощью короткого импульса слабого электрического поля. В электрическом поле состояние 37Р3/2 расщепляется на два подуровня \Mj\~\H и |М/1=3/2. Под действием импульса поля изменяются энергии этих подуровней и индуцируется дополнительная разность фаз:

Ф = 2тЛ£2(/)^ = 27са2£^сТзфф, (2)

о

где а2 = (13,3±0,4) МГц/(В/см)2 - измеренная в §3.2 тензорная поляризуемость состояния 37Р3/2, которая определяет его расщепление Ау = а2£2(0> Е(() - форма импульса поля с амплитудой Е шкс и эффективной длительностью т эфф. По окончании импульса электрического поля прикладывается импульс микроволнового излучения, резонансного переходу 37Р3/2 —>3781/2 > после чего измеряется населенность конечного состояния 3781/2.

Начальное состояние 37Р3/2 возбуждалось из промежуточного состояния 48 лазерным излучением с линейной поляризацией. Направление вектора поляризации определяло начальные амплитуды и фазы магнитных подуровней состояния 37Р3/2. В случае совпадающих о-поляризаций микроволнового и лазерного излучений (ортогональных электрическому полю) рассчитанный интерференционный сигнал описывается простым выражением:

//(375) ~ {5 + 3 сое ф}. (3)

Эта формула соответствует идеальному случаю, когда до и после импульса электрического поля полностью отсутствуют паразитные электрические и магнитные поля, которые могут приводить к сдвигу фаз и уменьшению контраста интерференционного сигнала. Однако в нашем эксперименте присутствовало лабораторное магнитное поле величиной около 0,2 Гс. Как выяснилось, оно вызывало прецессию магнитного момента, вследствие чего населенности и фазы подуровней периодически изменялись во времени.

ал попе

Рис.1. Интер-

"|"""°л* ференционные

сигналы, записанные при я и а поляризациях излучения возбуждающего

6. 150 <0

Й 125

5

X

175

лазера.

а

05

1 о

1 5 (в/см)

Для наблюдения квантовой интерференции использовался короткий импульс электрического поля с фиксированной задержкой 0,6 мкс после лазерного импульса, длительностью т Эфф = 0,35 мкс и изменяемой амплитудой Е макс = 0-гЗ В/см. Интерференционные сигналы записывались как зависимость населенности N(378) состояния 37Э от Еткс. Поскольку лабораторное магнитное поле не компенсировалось, оно также влияло на эти сигналы, сдвигая их фазу. На Рис.1 приведены записи интерференционных сигналов для двух ортогональных поляризаций возбуждающего лазерного излучения (поляризации обозначены стрелками).

В сигнале действительно наблюдались предсказанные интерференционные осцилляции с возрастающей частотой. Измеренный период осцилляции был близок к рассчитанному по формуле (2). Сдвиг начальной фазы осцилляций по сравнению с (3) связан с присутствием лабораторного магнитного поля. Замечательной особенностью Рис.1 является в точности противоположная фаза интерференционных сигналов для ортогональных лазерных поляризаций. Таким образом, начальная фаза содержит информацию о волновой функции и ее эволюции во внешних полях. Другой особенностью является то, что вырождение не снималось внешними полями во время взаимодействия с микроволновым излучением, а управление фазами осуществлялось изолированным во времени импульсом электрического поля. Оказалось, что, изменяя только фазовые соотношения (даже без изменения населенностей), можно эффективно управлять вероятностями переходов между вырожденными состояниями. Фактически, схема данного эксперимента представляла собой реализацию "внутриатомного" интерферометра, позволяющего отслеживать изменение относительной фазы атомных волновых функций и управлять вероятностями переходов.

В §3.6 представлены результаты экспериментов по микроволновому эффекту Хайле [23*,24*]. Интерференционный эффект Ханле впервые наблюдался на оптических переходах в атомах ртути [23] и проявлялся как зависимость интенсивности флуоресценции с определенной поляризацией от магнитного поля. Эти зависимости имеют лоренцевскую или дисперсионную форму с шириной, определяемой временем релаксации когерентности магнитных подуровней [2]. Исследование эффекта Ханле может дать разнообразную информацию о свойствах вырожденных ридберговских состояний, например, временах жизни, факторах Ланде, магнитной структуре и фазах магнитных подуровней. Однако для атомов в ридберговских состояниях эффект Ханле в спонтанном испускании не может наблюдаться >.

напрямую вследствие больших радиационных времен жизни и низкой интенсивности флуоресценции.

Для изучения эффекта Ханле в ридберговских атомах мы использовали вынужденные микроволновые переходы между вырожденными состояниями. Исследовалась зависимость вероятности перехода 37Р3д—>3781/2 от магнитного поля. Начальное ридберговское состояние 37Р3/2 заселялось из промежуточного состояния 481/2 лазерным импульсом с варьируемой линейной поляризацией (л или с), при этом ориентация лазерной поляризации по отношению к магнитному полю задавала начальные амплитуды и фазы магнитных подуровней состояния 37Р3/2. Микроволновое излучение, настроенное на частоту перехода 37Р3/2—>3781/2, подавалось в непрерывном или импульсном режиме. В последнем случае импульс начинался с задержкой 1,57 мкс и имел длительность х = 0,3-2,0 мкс. Излучение индуцировало переход 37Р3/2 ->3781/2 и заселяло уровень 3781/2 в постоянном магнитном поле. Сигналы Ханле записывались для ст (Рис.2) и я поляризаций возбуждающего лазера. Варьировались длительность т и задержка центра Т микроволнового импульса. Левые колонки записей на Рис.2 соответствуют экспериментальным зависимостям, а правые представляют результаты численного расчета для перехода 37Р3/2-»3781/2.

При малых временах взаимодействия и ст поляризации лазерного излучения [Рис.2(а)-(г)] сигнал Ханле сопровождался интерференционными осцилляциями населенности конечного состояния 378!/2, или квантовыми биениями в магнитном поле. Их период и контраст в шкале магнитного поля были близки к расчетным, а ширина огибающей коррелировала с шириной спектра микроволнового импульса. Во всех случаях наблюдаемые сигналы хорошо совпадали с нашими численными расчетами. Сигналы являлись суммой трех контуров различной ширины и амплитуды, которые хорошо видны на Рис.2(д)-(е). В случае тг-поляризации возбуждающего лазера квантовые биения отсутствовали, поскольку подуровни М/ = ± 3/2

Рис.2. Экспериментальные и теоретические сигналы Ханле при а-поляризации возбуждающего лазерного излучения, (а) и (б) эксперимент и теория для т = 0,33 мкс и Т= 1,74 мкс; (в) и (г) эксперимент и теория для -с = 1,0 мкс и Т= 2,07 мкс; (д) и (е) эксперимент и теория для т = 2,5 мкс и Т = 1,25 мкс.

состояния 37Рз/2 не заселялись. Увеличение интенсивности микроволнового поля приводило к деформации сигналов Ханле вследствие изменения конечной фазы осцилляции Раби.

Наш эксперимент продемонстрировал существенные различия между эффектом Ханле в низковозбужденных и ридберговских атомах. При временах взаимодействия намного меньших, чем радиационное время жизни ридберговского состояния, главным фактором, определяющим ширину сигнала Ханле, становится спектральная ширина микроволнового импульса. Кроме того, при лазерной поляризации, ортогональной магнитному полю, наблюдаются квантовые биения магнитных подуровней. Эти биения имеют довольно резкую зависимость от магнитного поля, что может представлять интерес для измерения и контроля магнитных полей в экспериментах с ридберговскими атомами.

В четвертой главе представлены результаты экспериментов по микроволновой спектроскопии когерентных и нелинейных процессов при многофотонных переходах в ридберговских атомах Ыа.

В §4.1 изучались спектры различных многофотонных переходов между ридберговскими состояниями и исследовался многофотонный динамический эффект Штарка [1 4*, 18*, 19*]. На панорамных спектрах, записанных в диапазоне частот 56-76 ГГц, при интенсивности менее 1(Г5 Вт/см2 наблюдался только двухфотонный резонанс 36Р-37Р на частоте 72,7 ГГц. Увеличение амплитуды СВЧ-поля приводило к появлению двухфотонного резонанса ЗбР-ЗбБ на частоте 62,6 ГГц и трехфотонного резонанса 36Р-38Б на частоте 71,6 ГГц. При интенсивности более 10"4 Вт/см2 возникал и четырехфотонный резонанс 36Р-38Р на частоте 69,7 ГГц, причем наблюдалось заметное полевое уширение и насыщение всех многофотонных резонансов.

Наиболее подробно нами исследовались двухфотонные переходы типа иР-Ки+1)Р. Они обладают наибольшей вероятностью среди всех многофотонных переходов и их с хорошей точностью можно аппроксимировать трехуровневой схемой с промежуточным уровнем (и+1)8. В качестве примера был взят двухфотонный переход 36Р-37Р. Промежуточный уровень 378 находится почти посредине между уровнями 36Р и 37Р (отстройка от виртуального уровня двухфотонного перехода А « 2,6 ГГц при частоте перехода 72,6 ГГц). В отсутствие внешних полей спектр этого перехода содержит четыре пика, отвечающих переходам между компонентами тонкой структуры уровней 36Р и 37Р. При увеличении интенсивности наблюдалось сильное полевое уширение и насыщение отдельных пиков, а при Интенсивности 5,8-10" 4 Вт/см2 полевое уширение превышало интервалы тонкой структуры, в результате чего спектр поглощения представлял собой сплошную полосу.

Наличие полевого уширения резонансов двухфотонного поглощения позволило нам впервые поставить вопрос о прямом наблюдении двухфотонного динамического эффекта Штарка методом "пробного" поля. Схема переходов приведена на Рис.3 справа. "Сильное" поле было настроено в резонанс с одной из компонент тонкой структуры двухфотонного перехода 36Р-37Р, а "пробное" поле перестраивалось в окрестности двухфотонного перехода 37Р-38Р, при этом регистрировались атомы в состоянии 38Р. На Рис.3 слева приведены записи спектра поглощения "пробного" поля для двух интенсивностей "сильного" поля. Рис.З(а) соответствует настройке "сильного" поля в резонанс с переходом 36Р3/2 —>3781/2, а Рис.3(б,в) резонансу с переходом З6Р1/2 —>378|/2. Увеличение интенсивности "сильного" поля приводило к хорошо видимому динамическому расщеплению линии двухфотонного поглощения.

15 МГц

»,=72,728 ГГц (ЗвР^^Ри)

уя*72,в08 ГГц (ЗвР^-37Р1Л1)

■ 3/2

■ 1Я

в,7 вв.8 вв.в 07.0 V, (ГГц)

Рис.3. Двухфотон-ный динамический эффект Щтарка на переходе 36Р-37Р в атоме Ыа.

(а) Сильное поле настроено в резонанс переходу 36Р3/2 -37РЮ.

(б) Сильное поле настроено в резонанс переходу 36Р1/2

37Р3д при интенсивности 83-10"* Вт/см2.

(в) Интенсивность ЗЛЮ"4 Вт/см2.

Для анализа динамического эффекта Штарка на двухфотонном переходе 36Р-37Р использовалось приближение трехуровневой схемы 36Р-378-37Р. Динамическое расщепление определяется двухфотонной частотой Раби С1 = с1хс1гЕ2 /(4Л), где с1х и <1г дипольные моменты промежуточных однофотонных переходов. При калиброванной интенсивности микроволнового излучения (3,4 ± 0,7)-10"4 Вт/см2 на Рис.З(в) представляло интерес сравнить экспериментальное значение динамического пггарковского расщепления (15 ±3) МГц с расчетной величиной (13 ±2,6) МГц. Можно утверждать, что наблюдается довольно хорошее согласие теории и эксперимента. Следует также упомянуть, что в отличие от эффекта Аутлера-Таунса, двухфотонная частота Раби линейно зависит от интенсивности микроволнового поля. Это согласуется с результатами наших измерений и является дополнительным подтверждением "двухфотонности" динамического эффекта Штарка.

В §4.2 исследовалось влияние статического эффекта Штарка на спектры и динамику многофотонных переходов. Панорамный спектр возбуждения двух- и трехфотонных переходов из состояния 35Р радикально изменялся в присутствии статического электрического поля 6 и 12 В/см. Наблюдалось резкое увеличение вероятности и сильное расщепление линии двухфотонного перехода 35Р-35Р на большое число компонент, напоминающее линейный эффект Штарка в атоме водорода.

Для полного анализа влияния статического эффекта Штарка на „

спектры микроволновых переходов в атомах Ыа нами был сделан численный расчет штарковской диаграммы ридберговских уровней с использованием значений квантовых дефектов, измеренных в [24]. *>

Собственные значения энергий в электрическом поле определялись методом диагонализации матрицы гамильтониана взаимодействия атома с полем [25]. На Рис.4 приведена штарковская диаграмма, полученная для состояний с \Щ =1/2. Видно, что для ридберговских состояний с моментом Ь> 2 характерен линейный эффект Штарка, который полностью перемешивает эта состояния, как в атоме водорода. Такое перемешивание вызывает изменение волновых функций и вероятностей многофотонных переходов в электрических полях более 1 В/см. В то же время, Б и Р состояния, обладающие значительным квантовым дефектом, характеризуются квадратичным эффектом Штарка в полях до 10 В/см.

Наиболее детально нами было изучено влияние статического эффекта

Рис.4. Расчетная штарковская диаграмма уровней энергии ридберговских атомов Иа вблизи водоро-доподобных наборов уровней п-35,36 для состояний с проекцией полного момента |А/|=1/2. Пунктиром обозначено положение виртуального промежуточного уровня двухфотонного перехода 36Р-»37Р. Двойная стрелка соответствует области двойного штарков-ского резонанса.

-2640

-2660

-2680

-2700

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 _Электрическое поле (В/см)

Штарка на двухфотонный переход 36Р-37Р. Экспериментальные записи его спектра в слабом электрическом поле 2,4 В/см позволили измерить скалярные и тензорные поляризуемости уровней 36Р и 37Р. Было получено хорошее согласие с точным численным расчетом по данным Рис.4. Особенностью наших результатов является обнаруженная зависимость скалярных поляризуемостей от полного момента компоненты тонкой структуры, поскольку в теории квадратичного эффекта Штарка эта зависимость отсутствует.

Интерес к двухфотонному переходу 36Р-37Р был вызван тем, что, как видно из Рис.4, при включении электрического поля отстройка Д реального промежуточного уровня 37Э от виртуального промежуточного уровня двухфотонного перехода быстро уменьшается, и при определенном значении поля Екр £ 6-7 В/см двухфотонный резонанс превращается в точный двойной резонанс 36Р-»378-»37Р. В такой ситуации вероятность перехода должна возрастать на несколько порядков. Это явление, названное нами "двойной штарковский резонанс" (ДШР), действительно наблюдалось в экспериментах [3*г5*,6*,11*,25*].

В §4.3 изучались особенности ДШР для двухфотонных переходов 36Р-37Р, 37Р-38Р. На Рис.5 представлены записи спектра перехода 36Р-37Р при изменении напряженности электрического поля от 0 до 8 В/см и фиксированной мощности микроволнового излучения. ДШР проявлялся в виде широкой нерезонансной полосы (ширина ~500 МГц) в довольно узком интервале напряженностей электрического поля (от 6 до 7,5 В/см), при этом часть двухфотонных пиков сохраняла резонансный характер, другие же полностью терялись в этом спектре. Дальнейшее увеличение напряженности электрического поля возвращало привычную штарковскую картину спектра двухфотонных переходов. Трехуровневая модель 36Р-378-37Р позволяет оценить характерную ширину Ау резонанса в области ДШР. При интенсивности микроволнового излучения 3,9-10~5 Вт/см2 для перехода 36Р3/2,з/2—>378]/2,1/2—>37Р3д, 3/2 была получена оценка Ау ~ 500 МГц, что совпадает с величиной, наблюдаемой в эксперименте. Таким образом, был найден механизм возникновения широкой полосы в штарковском спектре двухфотонного перехода 36Р-37Р.

Аналогичный эффект наблюдался и для двухфотонного перехода 37Р-38Р. Вообще, ДШР должен был возникать на всех уровнях возбуждения. Среднее по компонентам тонкой структуры значение р в зависимости от номера нижнего уровня я аппроксимируется следующей формулой, полученной в приближении квадратичного эффекта Штарка:

72.0 72. Ч_7га У.ГГц

Рис.5. Спектр двух-фотонного перехода 36Р-37Р при различных напряженностях электрического поля. Интенсивность микроволнового излучения 3,9-10"5 Вт/см2.

Яч,»4,14-10'-и"® (В/см). (4)

Такая резкая зависимость дает возможность калибровки напряженности электрического поля в широком интервале значений.

В §4.4 обсуждается и демонстрируется возможность использования ДШР для калибровки напряженности электрического поля в вакууме. Эта задача является весьма актуальной как для фундаментальных исследований, так и для ряда практических приложений, например, для измерения распределения электрического поля вблизи поверхностей, определения степени их загрязнения в вакууме и т.д. В качестве примера был взят двухфотонный переход 36Р-37Р. Точные значения напряженностей критических полей для каждого из переходов ЗбР^л/) —> в двойном штарковском резонансе рассчитывались численно по штарковской диаграмме на Рис.4. Шкала электрического поля для абсолютной калибровки получалась следующим образом. Частота микроволнового поля фиксировалась вблизи частоты одного из переходов.

Затем осуществлялась развертка напряженности электрического поля и регистрировалась населенность уровня 37Р. При достижении значения сигнал резко возрастал. В записываемом таким образом сигнале возникали пики, соответствующие Екр для разных переходов. При малой интенсивности излучения наиболее отчетливо просматривался пик вблизи 6,4 В/см. Он совпадал с расчетным значению Екр для перехода 36Р3/2, ш —> 37Рз/2,1/2, обладающего минимальным критическим полем. Ширина резонанса 36Р3/2> 1/2—>37Р3/2,1/2 составляла 0,1 В/см при интенсивности ~4-10~8 Вт/см2.

Отметим, что точность 0,1 В/см не является предельной для этого метода. Погрешность измерения Ещ определялась шириной линии генератора (1-2 МГц). При использовании микроволнового генератора с более узкой линией ширина будет определяться уже пролетным уширением в системе регистрации и достигнет величины Ю-3 В/см, которую весьма трудно получить обычными методами измерения электрического поля.

В §4.5 детально исследовалось влияние различных режимов включения электрического поля и поляризации лазерного излучения на штарковский спектр перехода 36Р-37Р и ДШР [25*]. Было обнаружено, что изменение вероятностей переходов в электрическом поле существенным образом сказывается на форме двойного штарковского резонанса в ридберговских атомах. Исчезновение отдельных компонент двухфотонного перехода приводит к уменьшению ширины спектра в области двойного резонанса. Также был сделан вывод, что при больших интенсивностях микроволнового поля необходимо одновременно учитывать как спин-орбитальное взаимодействие, так и статический и динамический эффекты Штарка для правильного определения значений критических полей.

В §4.6 изучались кинетические эффекты, которые могут наблюдаться при взаимодействии атомов с интенсивным микроволновым излучением в стоячей волне [26,27]. Впервые возможность влияния резонансного излучения на кинетику ридберговских атомов рассматривалась в работе [28], где были сделаны оценки углов рассеяния пучка ридберговских атомов при однофотонном взаимодействии. В наших работах [9*,10*,12*-16*] были выполнены расчеты для многофотонных переходов и показано, что в этом случае углы рассеяния могут оказаться гораздо больше вследствие нелинейности взаимодействия.

Кинетические эффекты и рассеяние пучка атомов на стоячей волне можно описывать в приближении заданного движения [27]. Изменение по-

перечного импульса Рх при пролете атома через область взаимодействия с полем описывается классическим выражением для градиентной силы:

арх эи^ф

Л дх

(5)

Поперечная стоячая волна имеет вид Е(х) - Е0 cos(fcc). Для многофотонного перехода /-го порядка эффективная энергия многофотонного взаимодействия может быть записана в виде [6]:

.и,** (6,

где d, - многофотонный матричный элемент перехода, dJiJ+1 - матричные элементы дипольных моментов переходов между соседними промежуточными состояниями, входящими в многофотонный переход, А, - отстройки

виртуальных промежуточных уровней от реальных. Подставляя U^p в

(5), при малых временах взаимодействия атома с полем т получаем выражение для поперечного импульса, переданного атому:

Рх =±кх¿¡Ец i sin(fcc) cos"1 (fee). (7)

Можно заметить, что если поперечный размер атомного пучка меньше длины волны, то сила, действующая на атом, зависит от точки взаимодействия вдоль стоячей волны. Это новая ситуация, позволяющая, например, достичь фокусировки или отклонения атомного пучка.

Представляет интерес зависимость угла рассеяния в,=Рх/Рг от главного квантового числа и, характеризующего ридберговский атом. Дипольные моменты переходов растут примерно как и2. Расстояния между соседними уровнями, а значит и волновые числа к и расстройки Д падают с ростом п по закону и"3. В результате получаем:

~ п5'~6. (8)

Формула (8) демонстрирует интересный результат: для однофотонных переходов (/ = 1) с ростом и угол рассеяния падает как 1 /и, в то время как при использовании многофотонных переходов можно получить существенное увеличение угла рассеяния. С точки зрения физики процесса, большая эффективность рассеяния для многофотонных переходов обусловлена большим градиентом потенциала взаимодействия и большим суммарным импульсом фотонов при поглощении и испускании.

(а)

(б)

Рис.6. Профиль пучка ридберговских атомов натрия: (а) атомный пучок пропускается через максимум стоячей волны; (б) атомный пучок пропускается через один из склонов стоячей волны. Интенсивность:

-0,5 0 +0,5 х(мм) -0,5 0 +0,5

1 - 0 мВт/см2;

2 - 100 мВт/см2;

3 - 200 мВт/см2;

4 - 250 мВт/см2.

,2-

Для экспериментальной проверки теоретических расчетов нами был выполнен эксперимент по исследованию профиля пучка ридберговских атомов натрия при двухфотонном взаимодействии с интенсивной стоячей волной на частоте 72,6 ГГц, находящейся в резонансе с двухфотонным переходом 36Р-37Р. При средней скорости атомов в пучке Уг = 600 м/с среднее время взаимодействия при пролете атомов через стандартный прямоугольный волновод сечением 1,5x3 мм составляло 2 мкс. Максимальная интенсивность микроволнового излучения в волноводе достигала /макс ~ 0,3 Вт/см2. При такой интенсивности расчетное значение угла рассеяния 0,3° превышает начальную расходимость атомного пучка 0,2°.

На Рис.6 представлена экспериментальная запись профиля пучка ридберговских атомов для различных интенсивностей стоячей волны. В отсутствие микроволнового поля наблюдалось симметричное распределение шириной около 1 мм, определяемой размерами коллимирующих диафрагм. Шумы сигнала были обусловлены флуктуациями лазерного возбуждения и заряженными частицами из магниторазрядного вакуумного насоса. Атомный пучок пропускался через максимум стоячей волны [Рис.б(а)] или через один из ее склонов [Рис.б(б)]. Включение микроволнового поля приводило к заметному изменению профиля пучка. Общее число ридберговских атомов уменьшалось и зависело от точки взаимодействия. Существуют две причины, которые могли приводить к этому эффекту.

Первой из них являются кинетические явления, обсуждавшиеся выше. Атомы, пролетающие через точки с большой интенсивностью, могли отклоняться значительно, другие же сохраняли прямолинейное движение. В

принципе, наблюдающееся на Рис.б(б) сужение атомного пучка соответствует режиму фокусировки, предсказанному в наших теоретических расчетах [15*, 16*]. Однако фактически мы видим, что полное число атомов не сохраняется, т.е. часть атомов исчезает или рассеивается на очень большие углы, не описываемые нашими расчетами. В этом случае шумы магнито-разрядного насоса превышали сигнал от ридберговских атомов и мешали регистрации атомов при больших углах рассеяния.

Другой причиной изменения профиля пучка могло быть быстрое радиационное затухание ридберговских состояний. Интенсивное микроволновое излучение вызывает не только двухфотонный переход 36Р-37Р, но и индуцирует нерезонансные переходы в другие состояния, лежащие как ниже, так и выше состояния 36Р. Переходы в более низкие состояния приводят в основном к уменьшению общего количества регистрируемых ридберговских атомов и мало влияют на профиль пучка. Переходы в более высокие состояния вызывают диффузию электрона по рид-берговским состояниям и могут приводить к многофотонной ионизации, сопровождающейся переходом в состояния непрерывного спектра. Этот эффект мог вызвать значительное уменьшение числа ридберговских атомов в области максимума интенсивности микроволнового поля и изменять профиль пучка вследствие сильной нелинейности процесса многофотонной ионизации. К сожалению, схема эксперимента не позволяла детально исследовать наличие процесса многофотонной ионизации интенсивным микроволновым полем, поскольку высокая интенсивность достигалась только в волноводе, где в то же время нельзя было регистрировать образовавшиеся электроны.

Был сделан вывод о том, что в эксперименте с тепловым пучком нерезонансные радиационные процессы в интенсивном микроволновом поле препятствуют детальному изучению кинетических эффектов. Очевидным выходом могли бы быть эксперименты с пучком холодных ридберговских атомов, для рассеяния которых потребовалась бы намного меньшая интенсивность микроволнового поля. Однако такой эксперимент потребовал бы создания специальной системы лазерного охлаждения атомного пучка, что выходило за рамки настоящей работы. Тем не менее, полученные теоретические и экспериментальные результаты говорят о принципиальной возможности сильного влияния интенсивного микроволнового поля на кинетику и профиль пучка ридберговских атомов.

В пятой главе приводятся результаты экспериментов по квантовой интерференции каналов одно- и двухфотонной ионизации атомов Иа из возбужденного состояния 4Б излучением соответственно второй и первой гармоник Ш:УАО-лазера.

В §5.1 сформулирована постановка задачи об интерференции каналов фотоионизации в суммарном поле двух частотных гармоник лазерного излучения. Одним из проявлений этой интерференции является полярная асимметрия диаграммы вылета фотоэлектронов в поле с < Ег 0. Такое поле возникает при суммировании первой Е(а) ехр(-;'со/) и второй Е(2ш) ехр(-/2«м) гармоник лазерного излучения. Его характерной особенностью является заметная асимметрия амплитуды колебаний, которая может влиять на протекание нелинейных процессов, в том числе и процесса многофотонного поглощения.

Идея полярной асимметрии вылета электронов при ионизации атомов (а также ионизации молекул или дефектов в твердом теле) за счет интерференции двухфотонного поглощения лазерного излучения на основной частоте и однофотонного поглощения излучения его второй гармоники была высказана в работах [29-31]. Эта интерференция связана с тем, что вылетевший электрон возбуждается в одно и то же энергетическое состояние непрерывного спектра exp(ikr) за счет двух процессов. Для изучавшегося нами случая фотоионизации атомов Na из возбужденного состояния 4S при поглощении одного фотона на частоте 2оо возбуждается Р-состояние, а поглощение двух фотонов на частоте «в сопровождается возбуждением S- и D-состояний. Поскольку возбуждение этих состояний непрерывного спектра осуществляется коррелированными по фазе излучениями первой и второй гармоник, для определения результирующей волновой функции следует складывать амплитуды S, Р и D волн с учетом их знака, что вообще характерно для явления квантовой интерференции. Результирующая волновая функция в непрерывном спектре имеет заметную асимметрию, которая и приводит к полярной асимметрии вероятности вылета фотоэлектрона. Изменение сдвига фаз между гармониками изменяет направление асимметрии, поэтому, варьируя разность фаз (например, с помощью стеклянной пластинки, через которую пропускаются оба луча), можно наблюдать картину квантовой интерференции как периодическое изменение вероятности вылета фотоэлектрона в заданном направлении.

В §5.2 представлены результаты эксперимента по наблюдению интерференции одно- и двухфотонной фотоионизации [7*]. Для фотоионизации 4S-состояния использовалось излучение неодимового лазера и его второй гармоники с длинами волны 1064 нм и 532 нм, соответственно. Генерация второй гармоники (ГВГ) осуществлялась в кристалле КТР, на выходе из которого получался пучок 2Г(2а>) с горизонтальной линейной поляризацией и пучок Е{{в) с некоторой фиксированной (вообще говоря, эллиптиче-

ской) поляризацией. Длительность импульсов ¿Г(со) составляла 50-70 не, они генерировались с частотой повторения 5 кГц при средней мощности до 6 Вт. Средняя мощность излучения Е(2а>) находилась в пределах от 0,06 до 0,2 Вт. Сдвиг фазы Дер между полем накачки £'(со) и полем второй гармоники Е(2оо) осуществлялся поворотом специально калиброванной плоскопараллельной стеклянной пластинки толщиной 7 мм.

Оба световых пучка фокусировались на атомный пучок. Входное отверстие ВЭУ-6 было расположено напротив освещенной части атомного пучка. При приложении отрицательного напряжения 30 В к пластинам системы регистрации на вход ВЭУ попадали практически все свободные электроны, образовавшиеся в процессе фотоионизации. Напротив, в отсутствие разности потенциалов ВЭУ регистрировал лишь те электроны, для которых вектор скорости был направлен в сторону отверстия. При этом сигнал был максимальным в случае линейной поляризации лазерного излучения в направлении отверстия ВЭУ и уменьшался в 3-4 раза после поворота поляризации на 90° как для Е(а), так и для Е(2а>). Зависимости сигнала ВЭУ

от |Я(со)|4 и |£'(2(ö)|2 были линейными. Подбор режима ГВГ в кристалле

КТР позволил сделать эти два вклада в сигнал величинами одного порядка.

На Рис.7 представлена зависимость сигнала ВЭУ от сдвига фазы Д<р между Е(2ю) и Е(со), вносимого поворотом стеклянной пластинки. Контраст «15% и периодичность с периодом 2л просматриваются абсолютно уверенно. Монотонный наклон зависимости сигнала от Дер, а точнее, от утла поворота пластинки 0 связан с эффектом поперечного смещения пуч-

Сигиая ВЭУ, оти.ей.

г

Рис.7. Экспериментальная зависимость сигнала ВЭУ от сдвига фазы Дер между полями Е(2а>) и £(со). Интерференционные осцилляции являются следствием полярной асимметрии вылета фотоэлектронов.

о

ыс Ар, рад

ка. Таким образом, в настоящей работе впервые была экспериментально зарегистрирована полярная асимметрия распределения вылетевших электронов, обусловленная интерференцией одно- и двухфотонной ионизации свободных атомов. В настоящее время этот эффект находит широкое применение для так называемого "когерентного управления" фотохимическими реакциями [16], а также для определения абсолютной фазы сверхкоротких лазерных импульсов.

В §5.3 приведены результаты измерения сечений одно- и двухфотонной фотоионизации состояния 48 [8*]. При количественном изучении фотоионизации обычно представляет интерес измерение абсолютных сечений на заданной длине волны и их сравнение с расчетными значениями. Для этого необходимо связать величину наблюдаемых сигналов с временными зависимостями лазерных импульсов, объемом возбуждения и концентрацией атомов, что представляет непростую задачу. Однако этого можно избежать, если, зная мощности излучения, измерять отношение сигналов, дающее отношение сечений однофотонной а, и двуфотонной ст2 ионизации. В нашем эксперименте было получено следующее соотношение:

ст2 =(1,1±0.5)-10-28ст, см4с, (9)

где берется в см2.

Экспериментальные данные по <7[ (451) отсутствуют, однако имеется довольно большое число теоретических работ, посвященных численным расчетам сечений однофотонной ионизации низколежащих состояний атомов щелочных металлов. Для Б-состояний наиболее точные расчеты были выполнены в [32]. Эти расчеты учитывают поляризацию атомного остова и находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными для 38- и 58-состояний. С учетом точности графика, приведенного в [32], 01(45)=(5±1)1О-19 см2 на длине волны 532 нм. Подставляя это значение в (9), впервые получаем оценку для абсолютного сечения двухфотонной ионизации 48-состояния натрия излучением с длиной волны 1064 нм:

а?= (5,5 ± 2,7) • 10^7 см 4-с . (10)

Сравнительно большое сечение двухфотонной ионизации 48-состояния Ка объясняется близостью реального промежуточного уровня 5Р к виртуальному уровню двухфотонного перехода в континуум. Это обстоятельство позволило выполнить приближенный теоретический расчет сечения двухфотонной ионизации с использованием трехуровневой модели 4S-5P-.Es, Ей и сравнить полученное значение с нашим экспериментом.

Наиболее сложную задачу представлял расчет радиальных интегралов для переходов из 5Р-состояния в континуум. Однако для возбужденных состояний имеются простые квазиклассические выражения, полученные в [33]. На их основе было рассчитано теоретическое сечение двухфотонной ионизации 48-состояния атома натрия излучением 1=1064 нм:

=4-10~47 см4-с. (11)

Сравнение с (10) демонстрирует довольно хорошее согласие между экспериментом и теорией, несмотря на то, что при определении экспериментального значения был сделан ряд упрощающих приближений.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертации:

1. Реализована новая схема лазерного возбуждения и разработана оригинальная методика проведения экспериментов по микроволновой спектроскопии ридберговских атомов Ыа.

2. Выполнены эксперименты по спектроскопии одно- и многофотонных микроволновых переходов из лР состояний ридберговских атомов № в области «=30-40, исследовано влияние статического и динамического эффектов Штарка, измерены поляризуемости, изучено взаимодействие с тепловыми фотонами в микроволновом резонаторе.

3. Впервые методом пробного поля наблюдалось расщепления линий вследствие двухфотонного динамического эффекта Штарка на микроволновом переходе 36Р-»37Р в ридберговских атомах Иа.

4. Впервые наблюдался и исследовался эффект двойного штарковского резонанса на двухфотонных переходах иР->(и+1)Р в атомах Ыа, возникающий вследствие пересечения реального промежуточного уровня (и+1)8 с виртуальным уровнем в электрическом поле. Продемонстрирована возможность его использования для абсолютной калибровки напряженности электрического поля в вакууме.

5. Выполнен анализ кинетических эффектов при движении пучка ридберговских атомов в интенсивном микроволновом поле. Показано, что поле стоячей волны может приводить к отклонению и рассеянию пучка вследствие градиентной силы. Этот процесс наиболее эффективен для многофотонных резонансов в ридберговских атомах.

6. Реализован квайтовый интерферометр на основе кратковременного штарковского расщепления вырожденных ридберговских уровней электрическим полем. Продемонстрирована высокая чувствительность интерференционной картины к лабораторному магнитному полю и поляризации возбуждающего лазерного излучения, а также возможность

эффективного управления вероятностью перехода с помощью импульса электрического поля.

7. Изучен микроволновый эффект Ханле в ридберговских атомах. Показано, что ширина огибающей сигнала Ханле в ридберговских атомах определяется временем взаимодействия с микроволновым излучением, а сам сигнал, при определенных условиях, сопровождается квантовыми биениями вследствие интерференции вырожденных состояний.

8. Впервые наблюдалась квантовая интерференция каналов одно- и двух-фотонной фотоионизации 4Э состояния Иа излучением второй и первой гармоник Ш:УАО-лазера, которая приводит к предсказанной полярной асимметрии диаграммы вылета фотоэлектронов. Измеренное сечение двухфотонной ионизации 4Б состояния Ыа излучением первой гармоники Ш:УАС лазера хорошо совпадает с расчетами в трехуровневой модели.

Совокупность полученных результатов, объединенных в данной работе, вносит значительный вклад в новое научное направление - физику ридберговских атомов. Это направление имеет исключительную важность как с точки зрения фундаментальных исследований, позволяя поверять справедливость различных теоретических моделей когерентного и нелинейного взаимодействия атомов с интенсивным излучением, так и с точки зрения разнообразных применений для спектроскопии высокого разрешения, квантовых неразрушающих измерений, атомной интерферометрии, измерения электрических полей, когерентного контроля фотоионизации и т.д. Разработанные методики контроля и управления состоянием ридберговских атомов могут быть использованы также в перспективных исследованиях по созданию логических элементов квантовых компьютеров и получению перепутанных состояний на основе диполь-дипольного взаимодействия ридберговских атомов [20].

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

[1*] Бетеров И.М., Рябцев И.И., Фатеев Н.В., "Наблюдение двухфотонно-го динамического эффекта Штарка в трехуровневом ридберговском атоме N3", Письма в ЖЭТФ, 1988, т.48, в.4, с.181-183. [2*] Бетеров И.М., Василенко Г.Л., Рябцев И.И., Фатеев Н.В., "Лазеры на центрах окраски в спектроскопии ридберговских состояний", В сборнике: "Перестраиваемые лазеры и их применение", Институт теплофизики СО АН СССР, Новосибирск, 1988, с.141-151. [3*] Бетеров И.М., Василенко Г.Л., Крайнов В.П., Рябцев И.И., Фатеев Н.В., "Абсолютная калибровка электрического поля на основе пггар-

ковской подстройки двойного микроволнового резонанса в ридбер-говских атомах", Письма в ЖТФ, 1991, т. 17, в.9, с.44-48.

[4*] Beterov I.M., Vasilenko G.L., Ryabtsev I.I., Fateev N.V., "Multiphoton microwaye resonances in sodium Rydberg atoms", in "Intense Laser Phenomena", Series in Optics and Photonics, ed. by I.Yu.Kiyan and M.Y.Ivanov, World Scientific, Singapore, 1991, v.3, pp. 100-120.

[5*] Бетеров И.М., Выродов A.O., Рябцев И.И., Фатеев Н.В., "Микроволновая спектроскопия двухфотонных переходов и двойной штарков-ский резонанс в ридберговских атомах натрия", ЖЭТФ, 1992, т. 101, в.4, с.1154-1176.

[6*] Beterov I.M., Ryabtsev I.I., Fateev N.V., "Probing of weak static electric field by Rydberg atoms", in "Nonlinear Optics", Nova Science Publishers, New York, USA, 1992, pp.437-443 (труды X Международной Вавиловской конференции, Новосибирск, 1990).

[7*] Баранова Н.Б., Бетеров И.М., Зельдович Б.Я., Рябцев И.И., Чудинов А.Н., Шульгинов А.А., "Обнаружение интерференции одно- и двух-фотонного процессов ионизации 4S состояния натрия", Письма ЖЭТФ, 1992, т.55, в.8, с.431-435.

[8*] Бетеров И.М., Рябцев И.И., "Исследование одно- и двухфотонной ионизации возбужденных 4S состояний атома натрия", Оптика и спектроскопия, 1993, т.75, в.З, с.531-538.

[9*] Бетеров И.М., Рябцев И.И., "Наблюдение двухфотонного потенциального рассеяния ридберговских атомов натрия микроволновым полем", Письма в ЖЭТФ, 1994, т.59, в.2, с.91-93.

[10*] Beterov I.M., Ryabtsev I.I., "Multiphoton potential scattering of Rydberg atoms by the microwave field", Laser Physics, 1994, v.4, No.5, pp.953956.

[11*] Beterov I.M., Ryabtsev I.I., "Ionization probing of static electric fields by the double Stark resonance in Rydberg atoms", AIP Conference Proceedings, 1995, Ser.329, pp.472-475 (Proceedings of RIS-94, 1994, Bernkastel-Kues, Germany).

[12*] Beterov I.M., Ryabtsev I.I., "Multiphoton potential scattering of Rydberg atoms by the microwave field", AIP Conference Proceedings, 1995, Ser.329, pp. 161-164 (Proceedings of RIS-94, 1994, Bernkastel-Kues, Germany).

[13*] Бетеров И.М., Рябцев И.И., "Кинетические явления при многофотонных резонансах в ридберговских атомах", Известия РАН, сер. физ., 1996, т.60, в.6, с.21-25.

[14*] Beterov I.M., Ryabtsev I.I., "Kinetic phenomena at multiphoton resonances in Rydberg atoms", Proceedings of SPffi, 1996, v.2796, pp. 116120 (труды ICONO-95, Санкт-Петербург, 1995).

[15*] Безвербный A.B., Бетеров И.М., Тумайкин A.M., Рябцев И.И., "Резонансное рассеяние трехуровневых ридберговских атомов в СВЧ поле", ЖЭТФ, 1997, т.111, в.З, с.796-815.

[16*] Bezverbny A.V., Beterov I.M., Garifullin D.Kh., Ryabtsev I.I., Tumaikin A.M., "Profile of the beam of Rydberg atoms in the strong standing microwave field", Laser Physics, 1997, v.7, No.3, pp.897-901.

[17*] Бетеров И.М., Рябцев И.И., "Прецизионная штарковская спектроскопия тонкой структуры микроволнового перехода 37P-37S в ридберговских атомах натрия", Письма в ЖЭТФ, 1998, т.68, в.12, с.853-857.

[18*] Beterov I.M., Ryabtsev I.I., "Rydberg sodium atoms in a strong microwave field", Physics of Vibrations, 1998, v.6, No.3, pp. 196-205.

[19*] Beterov I.M., Ryabtsev I.I., "Rydberg sodium atoms in a strong microwave field", Proceedings of SPIE, 1998, v.3485, pp.274-285 (Труды XI Международной Вавиловской конференции, Новосибирск, 1997).

[20*] Бетеров И.М., Рябцев И.И., "Вынужденное излучение ридберговско-го атома натрия в микроволновом резонаторе", Письма в ЖЭТФ, 1999, т.69, в.6, с.413-416.

[21*] Ryabtsev I.I., Beterov I.M., "Quantum interferometry of degenerate Rydberg states using a temporary dc Stark splitting", Phys. Rev. A, 2000, v.61, pp.063414(l-9).

[22*] Рябцев И.И., Третьяков Д.Б., "Микроволновая спектроскопия эффекта Зеемана в ридберговских атомах натрия", Оптика и спектроскопия, 2001, т.90, в.2, с.181-184.

[23*] Ryabtsev I.I., Tretyakov D.B., "Microwave Hanle effect in Rydberg atoms", Phys. Rev. A, 2001, v.64, pp.033413(l-8).

[24*] Ryabtsev I.I., Tretyakov D.B., "Hanle effect in Rydberg atoms of sodium", Proceedings of SPIE, 2002, v. 4748, pp. 228-234 (Труды ICONO-2001, Минск, 2001).

[25*] Рябцев И.И., Третьяков Д.Б., "Разрыв L-S связи и двойной штарков-ский резонанс в спектре двухфотонного перехода 36Р-37Р в ридберговских атомах натрия", ЖЭТФ, 2002, т.121, в.4, с.787-796.

Список цитированной литературы

[1] Собельман И.И., "Введение в теорию атомных спектров", Москва: Наука, 1977.

Александров Е.Б., Хвостенко Г.И., Чайка М.П., "Интерференция атомных состояний", Москва: Наука, 1991.

Раутиан С.Г., Смирнов Г.Й., Шалагин A.M., "Нелинейные резонансы в спектрах атомов и молекул", Новосибирск: Наука, 1979. Летохов B.C., Чеботаев В.П., "Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения", Москва: Наука, 1990. Делоне Н.Б., Крайнов В.П., "Атом в сильном световом поле", Москва: Энергоатомиздат, 1984.

Акулин В.М., Карлов Н.В., "Интенсивные резонансные взаимодействия в квантовой электронике", Москва: Наука, 1987. "Ридберговские состояния атомов и молекул", под ред. Р.Стеббингса и Ф.Даннинга, Москва: Мир, 1985. Ключарев А.Н., Янсон М.Л., "Элементарные процессы в плазме щелочных металлов", Москва: Энергоатомиздат, 1988. Смирнов Б.М., "Возбужденные атомы", Москва: Энергоатомиздат, 1982.

Летохов B.C., "Лазерная фотоионизационная спектроскопия", Москва: Наука, 1983.

Gentile Т.Н., Hughey В J., Kleppner D., "Experimental study of one-and two-photon Rabi oscillations", Phys. Rev. A, 1989, v.40, №9, pp.51035115.

Raymond J.M., Brune M., Haroche S., "Colloquium: Manipulating quantum entanglement with atoms and photons in a cavity", Rev. Mod. Phys., 2001, v.73, pp.565-582.

Moi L., Goy P., Gross M., Raimond J.M., Fabre C., Haroche S., "Rydberg-atom masers. I. A theoretical and experimental study of superradiant systems in the millimeter-wave domain", Phys. Rev. A, 1983, v.27, pp.2043-2064.

Brune M., Raymond J.M., Goy P., "Realization of a twophoton maser oscillator", Phys.Rev.Lett., 1987, v.59, №17, pp. 1899-1902. Weinacht T.C., Ahn J., Bucksbaum P.H., "Measurement of the Amplitude and Phase of a Sculpted Rydberg Wave Packet", Phys. Rev. Lett., 1998, v.80, pp.5508-5511.

Cavalieri S., Eramo R., Fini L., "Phase-controlled quantum interference in two-color atomic photoionization", Phys. Rev. A, 1997, v.55, pp.29412944.

Fabre C., Gross M., Haroche S., "Determination by quantum beat spectroscopy of fine-structure intervals in a series of highly excited sodium D states", Opt. Commun., 1975, v.13, pp.393-397.

[18] Leuchs G., Smith S.J., Walther H., "High resolution spectroscopy of Rydberg states", in "Laser Spectroscopy IV", ed. by H.Walther and K.W.Rothe, Springer: New York, 1979, pp.255-263.

[19] Рябцев И.И., "ИК и микроволновая спектроскопия резонансных и многофотонных переходов в ридберговских атомах натрия", диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Новосибирск, 1992.

[20] Ryabtsev I.I., Tretyakov D.B., Beterov I.I., "Applicability of Rydberg atoms to quantum computers", J. Phys. B, 2005, v.38, pp.S421-S436; электронный препринт http://www.arxiv.org/pdfquant-ph/0402006.

[21] Autler S.H., Townes C.H., "Stark Effect in Rapidly Varying Fields", Phys. Rev., 1955, v. 100, pp.703-722.

[22] Purcell E.M., "Spontaneous transition probabilities in radio-frequency spectroscopy", Phys. Rev., 1946, v.69,p.681.

[23] Hanle W., "The magnetic influence on the polarization of resonance fluorescence", Zeit. fur Phys., 1924, v.30, pp.93-105.

[24] Дюбко С.Ф., Ефименко M.H., Ефремов B.A., Поднос С.В., "Квантовый дефект и тонкая структура термов ридберговсих атомов Na I в S-, Р- и D-состояниях", Квантовая электроника, 1995, т.22, №9, с.946-950.

[25] Zimmerman M.L., Littman M.G., Kash М.М., Kleppner D., "Stark structure of the Rydberg states of alkali-metal atoms", Phys. Rev. A, 1979, v.20, pp.2251-2275.

[26] Летохов B.C., Миногин В.Г., "Давление лазерного излучения на атомы", Москва: Наука, 1986.

[27] Казанцев А.П., Сурдутович Г.И., Яковлев В.П., "Механическое действие света на атомы", Москва: Наука, 1990.

[28] Зарецкий Д.Ф., Юдкевич М.М., "Световое давление в случае ридберговских атомов", Оптика и спектроскопия, 1989, т.67, в.З, с.742-744.

[29] Баранова Н.Б., Зельдович Б.Я., "Расширение голографии на многочастотные поля", Письма в ЖЭТФ, 1987, т.45, в.12, с.562-565.

[30] Baranova N.B., Zel'dovich B.Ya., "Physical effects in optical fields with nonzero average cube, E3*0", J. Opt. Soc. Am., 1991, v.8, pp.27-32.

[31] Энтин M.B., "Теория когерентного фотогальванического эффекта", Физ. Тех. Полупроводн., 1989, т.23, в.6, с. 1066-1069.

[32] Aymar М., "Influence of core-polarisation effects on the photoionisation cross sections of the ground level and excited ns levels of neutral sodium", J. Phys. B, 1978, v.ll, pp. 1413-1423.

РОС. НАЦИОНАЛЬНА» БИБЛИОТЕКА СЯемрвург

«Г

А

Гореславский С.П., Делоне Н.Б., Крайнов В.П., "Вероятности радиационных переходов между высоковозбужденными атомными состояниями", ЖЭТФ, 1982, т.82, с.1789-1797.

Подписано в печать 14.09.2005 г. Формат 60x84/16. Объем 2 п.л. Тираж 110 экз. Заказ № 228.

Отпечатано на УОП НГОНБ 630007, Новосибирск, ул. Советская, 6.

№117249

РНБ Русский фонд

2006-4 13477

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

§1.1. Систематика уровней энергии ридберговских атомов.

§1.2. Взаимодействие с тепловым фоновым излучением.

§1.3. Взаимодействие с электрическим и магнитным полем.

§1.4. Селективная ионизация электрическим полем (СИЭП).

§1.5. Экспериментальные методы изучения ридберговских атомов.

§1.6. Микроволновая спектроскопия ридберговских атомов.

§1.7. Фотоионизация ридберговских атомов.

Глава 2. Экспериментальная установка для микроволновой и фотоионизационной спектроскопии ридберговских атомов натрия.

§2.1. Лазерное возбуждение ридберговских иР-состояний атомов Na.

§2.2. Атомный пучок и система регистрации.

§2.3. Методика проведения экспериментов по микроволновой спектроскопии „

Глава 3. Микроволновая спектроскопия когерентных и нелинейных процессов при однофотонных переходах между ридберговскими состояниями атомов Na.

§3.1. Эффект Зеемана.

§3.2. Статический эффект Штарка.

§3.3. Динамический эффект Штарка.

§3.4. Вынужденные переходы под действием теплового излучения в микроволновом резонаторе.

§3.5. Квантовый интерферометр на основе импульсного штарковского расщепления.

§3.6. Микроволновый эффект Ханле.

Глава 4. Микроволновая спектроскопия когерентных и нелинейных процессов при многофотонных переходах между ридберговскими состояниями атомов Na.

§4.1. Динамический эффект Штарка.

§4.2. Статический эффект Штарка на многофотонных переходах.

§4.3. Двойной штарковский резонанс на двухфотонных переходах 36Р-37Р,

37Р-38Р.

§4.4. Калибровка напряженности электрического поля методом штарковской подстройки двойного микроволнового резонанса.

§4.5. Влияние изменения волновых функций в электрическом поле и поляризации излучения на двойной штарковский резонанс.

§4.6. Кинетические эффекты при взаимодействии атомов с интенсивным микроволновым излучением.

Глава 5. Квантовая интерференция каналов одно- и двухфотонной ионизации атомов Na излучением Nd:YAG лазера из возбужденного состояния 4S.

§5.1. Введение.

§5.2. Квантовая интерференция каналов одно- и двухфотонной ионизации.

§5.3. Измерение сечений одно- и двухфотонной фотоионизации.

В последние годы в атомной и лазерной физике значительно расширился круг задач, в которых когерентные и нелинейные процессы при взаимодействии атомов с электромагнитным излучением [1-7] играют важную роль и могут быть использованы для выполнения тонких экспериментов и практических приложений. Это спектроскопия высокого разрешения, атомные стандарты частоты нового поколения, квантовые неразрушающие измерения, лазерное охлаждение, бозе-эйнштейновская конденсация, атомная интерферометрия, измерение электромагнитных полей, когерентный контроль взаимодействия атомов с излучением и т.д. В настоящее время особенно актуальными стали исследования по разработке методов управления и диагностики состояний одиночных атомов в электромагнитных и оптических ловушках [8-11], что необходимо для создания логических элементов квантового компьютера, генераторов и детекторов одиночных фотонов, экспериментов по квантовой нелокальности, квантовой телепортации, квантовой криптографии и ряда других новых направлений квантовой физики [12-14]. Таким образом, экспериментальное изучение когерентных и нелинейных процессов в атомах представляет значительный интерес и требует проведения широкого круга новых исследований, направленных на уменьшение числа атомов и получение информации об элементарных актах взаимодействия одиночных атомов с излучением.

В основе когерентных процессов лежит явление квантовой интерфереиции атомных состояний [2-4]. Как известно, всякое состояние в атоме характеризуется фазой волновой функции. Взаимная когерентность состояний, или определенная разность фаз их волновых функций, может возникать при возбуждении оптических переходов резонансным излучением, причем это справедливо как для состояний, вырожденных по энергии (например, при когерентном возбуждении нескольких магнитных подуровней), так и для невырожденных состояний (например, при осцилляциях Раби в двухуровневом атоме). В приготовленном таким образом атоме квантовая интерференция состояний может проявляться при последующем взаимодействии с излучением или при спонтанном испускании в виде разнообразных когерентных процессов.

В зависимости от условий проведения эксперимента, могут наблюдаться квантовые биения в резонансном поглощении или флуоресценции, эффект Ханле в магнитном поле, осцилляции Раби, оптические биения Рамзея, фотонное эхо и много других интересных явлений [2-7]. Наибольшую актуальность для современных исследований представляет использование квантовой иитерференции для управления вероятностями переходов и определения разности фаз атомных состояний, т.е. управление и диагностика одиночных атомов оптическими методами.

Нелинейные процессы возникают при взаимодействии атомов с интенсивным излучением, при этом зачастую когерентность состояний также играет заметную роль [2-7]. Увеличение интенсивности излучения вовлекает во взаимодействие большое число атомных уровней, поэтому необходимо рассматривать сложные резонансные ситуации и учитывать, например, возможность возбуждения не только однофотонных, но и многофотонных переходов между атомными состояниями, сопровождающихся одновременным поглощением или испусканием нескольких квантов излучения. Вероятности таких переходов нелинейно зависят от интенсивности (в первом приближении, пропорционально интенсивности в степени числа фотонов). К наиболее интересным нелинейным процессам относятся многофотонпое поглощение, рамановские переходы и адиабатический перенос населенностей, нелинейный интерференционный эффект, когерентное пленение населенностей и электромагнитно индуцированная прозрачность, полевое уширение и динамическое расщепление линий переходов, а также генерация суммарных и разностных частот.

Экспериментальное изучение когерентных и нелинейных явлений в обычных атомах представляет собой непростую задачу, что обусловлено разного рода релаксационными процессами, приводящими к быстрой потере когерентности, необходимостью использования больших атомных ансамблей для надежной регистрации сигналов, и вторичными процессами в интенсивном электромагнитном поле, искажающими истинную картину взаимодействия излучения с одиночным атомом.

В простейшем случае, когда отсутствуют другие механизмы релаксации, время когерентности состояний, т.е. время "памяти" атома о переходах под действием возбуждающего излучения, ограничено спонтанным распадом. Для того чтобы когерентные процессы могли наблюдаться и исследоваться в экспериментах, характерное время взаимодействия атомов с излучением и время измерения сигналов поглощения или испускания должны быть меньше, чем время спонтанной релаксации. Это обстоятельство зачастую является серьезным препятствием для изучения когерентных процессов в слабовозбужденных атомах, поскольку их характерные времена релаксации невелики (например, время жизни первого возбужденного состояния ЗР в атоме Na составляет всего 16 нс).

С другой стороны, наблюдение и исследование нелинейных процессов для атомов в низколежащих состояниях требует применения сравнительно мощных монохроматических источников излучения. В оптической области спектра такие источники стали доступными только с появлением и развитием лазеров, начиная с 1970-х годов. Однако нельзя считать, что экспериментальная ситуация в 1970-х - 1980-х годах была вполне благополучная и все предсказанные эффекты получили экспериментальное подтверждение. Проблема состояла в том, что в большинстве оптических экспериментов требовались либо световые поля с высокой интенсивностью, либо сравнительно высокая концентрация резонансных атомов. В плотной среде в присутствии интенсивного излучения возникают разнообразные вторичные процессы с иной физической природой, изменяется состояние вещества и, естественно, затрудняется изучение элементарного акта взаимодействия электромагнитного излучения с отдельными атомами. Например, в одной из первых экспериментальных работ [15] по изучению двухфотонных переходов 3S-5S и 3S-4D в атоме Na из-за высокой плотности атомов наблюдалось уширепие переходов вследствие Ван-дер-Ваальсовского взаимодействия атомов в основном и возбужденном состояниях.

Поэтому в 1970-х годах возникла необходимость найти такой многоуровневый квантовый объект, который позволил бы изучать когерентные и нелинейные процессы па сравнительно больших масштабах времен (десятки микросекунд), при низких интепсивпостях излучения, и, что особенно важно, при низкой плотности атомов или даже для одиночных атомов. Этим объектом стали атомы в высоковозбужденных, так называемых ридберговских состояниях [16-20], которые и являются предметом исследований в настоящей диссертации.

В ридберговском атоме один из электронов находится в высоковозбужденном состоянии с главным квантовым числом п » 1. Большую часть времени он проводит далеко от атомного остова (классический радиус орбиты электрона ~и2а0, где а0 - радиус Бора), и для него поле остова является почти кулоновским. Поэтому ридберговский электрон можно описывать с помощью водородоподобных волновых функций, что позволяет с высокой точностью вычислять дипольные моменты переходов, поляризуемости, времена жизни и другие параметры уровней. Ридберговские атомы привлекают внимание исследователей рядом существенных отличий от атомов в пизковозбужденных состояниях.

Во-первых, длины воли излучательных переходов между ридберговскими состояниями лежат в микроволновой и дальней инфракрасной области спектра, что позволяет проводить эксперименты с высоким спектральным разрешением. Значения дипольиых моментов d этих переходов составляют сотни и тысячи

•у атомных единиц (d~ea0n , где е - заряд электрона), и, следовательно, при одной и той же интенсивности излучения вынужденные переходы имеют намного большую вероятность, чем в низковозбужденных атомах. Последнее обстоятельство позволяет изучать не только однофотонные, но и многофотонные переходы высокого порядка при чрезвычайно низкой интенсивности излучения, особенно в микроволновой области спектра.

Во-вторых, удаленность возбужденного электрона от атомного остова

3 5 обуславливает большие времена жизни т ридберговских состояний (т ~ п - п ). Это значительно упрощает как постановку экспериментов, так и теоретические расчеты, поскольку во многих случаях спонтанной релаксацией ридберговских состояний можно пренебречь. В то же время, спецификой ридберговских состояний является высокая чувствительность к тепловому фоновому излучению, из-за взаимодействия с которым эффективное время жизни может заметно уменьшаться.

В-третьих, ридберговские состояния очень чувствительны к внешнему электрическому полю, их поляризуемости растут как п1. Слабое электрическое поле радикально изменяет структуру уровней и частоты переходов между ридберговскими состояниями, позволяя эффективно управлять взаимодействием атомов с резонансным излучением.

В-четвертых, ридберговские атомы легко ионизуются сравнительно слабым постоянным электрическим полем, причем пороговое значение поля зависит от главного квантового числа как и-4. В сочетании с использованием электронного умножителя для регистрации образовавшихся электронов это позволяет детектировать одиночные ридберговские атомы, идентифицировать ридберговские состояния, и проводить эксперименты при чрезвычайно низкой концентрации атомов, когда отсутствуют разного рода релаксационные процессы, связанные с распадом, столкновениями, пленением излучения и т.д.

Перечисленные выше свойства открыли широкие возможности для экспериментального и теоретического изучения когерентных и нелинейных процессов в ридберговских атомах, их сопоставления с аналогичными процессами в низковозбужденных атомах, и наблюдения ряда новых эффектов, недоступных для изучения в обычных атомах. Это осцилляции Раби на одно- и многофотонных переходах, получение мазерной генерации на одиночных атомах (в том числе и на двухфотонных переходах), возбуждение волновых пакетов сверхкороткими лазерными импульсами, квантовая интерференция при многофотонной ионизации, квантовая интерференция переходов между вырожденными атомными состояниями, квантовые биения и эффекты пересечения уровней в магнитном и электрическом полях, микроволновые биения Рамзея и т.д. Можно было ожидать существенных отличий в проявлении этих эффектов в ридберговских атомах по сравнению с атомами в низколежащих состояниях, в основном благодаря отсутствию релаксационных процессов.

Однако экспериментальные данные по когерентным и нелинейным явлениям в ридберговских атомах были далеко не полными на момент постановки задачи в середине 1980-х годов. Например, не были изучены такие важные процессы, как динамический эффект Штарка для многофотонных переходов, влияние электрического поля па спектры и вероятности многофотонных переходов, квантовая интерференция вырожденных состояний в электрическом и магнитном поле, кинетические эффекты при взаимодействии ридберговских атомов с излучением, и квантовая интерференция при фотоионизации ридберговских состояний. Этим определяется актуальность выбранной темы диссертации.

Целью данной диссертационной работы являлось систематическое экспериментальное и теоретическое изучение когерентных и нелинейных процессов при оптических и микроволновых переходах между ридберговскими состояниями и при фотоионизации атомов, а также экспериментальная демонстрация возможных практических применений полученных результатов. Работы в этом направлении являлись логическим продолжением и развитием исследований, начатых автором в кандидатской диссертации [21]. В настоящей работе основное внимание уделялось выявлению особенностей когерентного взаимодействия одиночных ридберговских атомов с излучением, нелинейным многофотонным процессам, квантовой интерференции, развитию новых экспериментальных методик для исследования и управления ридберговскими атомами. Все эксперименты выполнялись с тепловым пучком атомов Na, и проводились в следующих направлениях:

1. Разработка новых схем лазерного возбуждения и методик проведения экспериментов с ридберговскими атомами [22].

2. Исследование спектров одно- и мпогофотонных микроволновых переходов из ридберговских пР состояний в области «=30-40 [23-25].

3. Изучение статического и динамического эффектов Штарка на микроволновых переходах между ридберговскими состояниями [26-29].

4. Спектроскопия двойного штарковского резонанса на двухфотонных переходах иР->(и+1)Р и его использование для калибровки напряженности слабого электрического поля в вакууме [30-33].

5. Исследование кинетических эффектов при многофотонном взаимодействии с интенсивным микроволновым излучением [34-40].

6. Изучение особенностей взаимодействия теплового фонового излучения с ридберговскими атомами в микроволновом резонаторе [41].

7. Исследование квантовой интерференции вырожденных состояний при микроволновых переходах в ридберговских атомах и реализация различных схем квантовых интерферометров [42-44].

8. Изучение квантовой интерференции и полярной асимметрии диаграммы вылета фотоэлектронов при одно- и двухфотонной ионизации из возбужденного состояния 4S излучением второй и первой гармоник Nd:YAG-лазера, а также измерение сечений фотоионизации [45,46].

Научная новизна полученных результатов заключается в обобщении новой экспериментальной информации о когерентных и нелинейных процессах при оптических и микроволновых переходах в ридберговских атомах. Отсутствие спонтапной релаксации и столкновительного уширения линий позволили впервые наблюдать двухфотоиный динамический эффект Штарка, двойной штарковский резонанс в постоянном электрическом поле, исследовать эффект Ханле для микроволновых переходов, реализовать новую схему квантового интерферометра с импульсным электрическим полем, наблюдать и исследовать интерференцию каналов одно- и двухфотонной ионизации излучением второй и первой гармоник Nd:YAG^a3epa. Особо следует отметить, что благодаря разработке оригинальных методик проведения экспериментов измерялись и накапливались сигналы от одиночных ридберговских атомов при низкой концентрации атомного пучка. Такие условия практически недоступны для экспериментов с атомами в низколежащих состояниях, поскольку для них отсутствуют эффективные методы регистрации.

Практическая значимость полученных результатов заключается в возможных применениях для спектроскопии высокого разрешения, квантовых неразрушающих измерений, атомных интерферометров, измерения электрических полей, когерентного контроля фотоионизации и т.д. Новая область применения ридберговских атомов, которая активно обсуждается в последнее время - это квантовые компьютеры, основой которых являются так называемые "перепутанные" когерентные состояния двух и более атомов. Разработанные нами методики контроля и управления состоянием ридберговских атомов могут быть использованы для получения перепутанных состояний, например, на основе диполь-дипольного или ван-дер-ваальсовского взаимодействия при кратковременном возбуждении холодных локализованных атомов из основного состояния в ридберговские [47].

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Изменение спектральной плотности осцилляторов электромагнитного поля в микроволновом резонаторе приводит к увеличению скорости переходов между ридберговскими состояниями под действием теплового фонового излучения, что может значительно уменьшать эффективное время жизни этих состояний. В эксперименте при добротности резонатора Q«7000 и температуре 100 К, скорость перехода 37Р—>37S в поле 30 тепловых фотонов в одной моде резонатора возрастает в 80 раз и достигает (30000 ± 6500) с-1, что согласуется с выполненными теоретическими расчетами.

2. Квантовый интерферометр на основе кратковременного штарковского расщепления вырожденных ридберговских состояний позволяет эффективно управлять вероятностями микроволновых переходов V-типа с помощью изолированного во времени импульса слабого электрического поля, вызывающего только сдвиг фаз вырожденных состояний без изменения их населенностей. Измеряемый интерференционный сигнал обладает высокой чувствительностью к разности фаз начальных состояний, которая задается поляризацией возбуждающего лазерного излучения и прецессией магнитного момента в лабораторном магнитном поле.

3. Форма сигнала Хапле для вынужденных микроволновых переходов в ридберговских атомах представляет собой сумму нескольких контуров различной ширины, которые соответствуют переходам между различными магнитными подуровнями. Благодаря большим временам жизни ридберговских состояний ширина огибающей сигнала Ханле определяется в основном временем взаимодействия с микроволновым излучением, а сам сигнал может сопровождаться квантовыми биениями вследствие интерференции вырожденных состояний в магнитном поле.

4. Расщепление линий вследствие двухфотонного динамического эффекта Штарка впервые наблюдалось и исследовалось методом пробного поля на микроволновом переходе 36Р—»37Р в ридберговских атомах Na. Измеренное расщепление линий 15 МГц при интенсивности микроволнового поля 3,4-10"4 Вт/см2 хорошо описывается трехуровневой моделью 36P-37S-37P двухфотонного перехода благодаря малости отстройки реального промежуточного уровня 37S от виртуального промежуточного уровня двухфотонного перехода.

5. Эффект двойного штарковского резонанса на двухфотонных переходах лР—»(л+1)Р в атомах Na возникает вследствие пересечения реального промежуточного уровня (w+l)S с виртуальным уровнем двухфотонного перехода в электрическом поле. Он проявляется как резкое увеличение ширины спектра и вероятности микроволнового перехода в узком интервале напряженностей электрического поля, и может быть использован для абсолютной калибровки напряженности электрического поля в вакууме.

6. Интенсивное микроволновое поле может изменять кинетику и профиль пучка ридберговских атомов вследствие градиентной силы, действующей в стоячей волне. Этот процесс наиболее эффективен для многофотонных микроволновых резонансов благодаря увеличению пространственного градиента потенциала взаимодействия атомов с полем стоячей волны.

7. Квантовая интерференция каналов одно- и двухфотонной фотоионизации излучением второй и первой гармоник Nd:YAG^a3epa из возбужденного 4S-состояния Na приводит к предсказанной полярной асимметрии диаграммы вылета фотоэлектронов. Измеренное сечение двухфотонной ионизации 4S-состояния излучением первой гармоники Nd:YAG лазера (5,5 ±2,7)-10"47 см4-с совпадает с расчетами по трехуровневой модели с промежуточным уровнем 5Р.

Кратное содержание работы по главам

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и научная новизна работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации рассмотрены основные свойства ридберговских атомов и проведен обзор современного состояния исследований по микроволновой спектроскопии и фотоионизации ридберговских атомов.

Во второй главе приведено описание экспериментальной установки для микроволновой и фотоионизационной спектроскопии ридберговских атомов Na. Представлена новая схема оптического возбуждения иР-серии с использованием двух импульсных перестраиваемых лазеров на красителях и лазера на центрах окраски с высокой частотой следования импульсов. Дано описание двух вариантов источника пучка и системы регистрации ридберговских атомов Na. Изложена оригинальная методика регистрации спектров микроволновых переходов, в которой сигнал не зависит от концентрации атомов Na и мощности лазера на последней ступени возбуждения.

В третьей главе представлены результаты экспериментов по микроволновой спектроскопии когерентных и нелинейных процессов для однофотонных переходов в ридберговских атомах Na. Однофотонный динамический эффект Штарка наблюдался на переходах 36P-37S, 37P-38S, и использовался для абсолютной калибровки интенсивности микроволнового излучения. На примере перехода 37P-37S проведены исследования статического эффекта Штарка, эффекта Зеемана, взаимодействия с тепловым излучением в микроволновом резонаторе, изучено влияние квантовой интерференции вырожденных ридберговских состояний на спектры и вероятности микроволновых переходов. Для наблюдения интерференционных сигналов энергии уровней управлялись с помощью электрического или магнитного поля. Представлена оригинальная схема квантового интерферометра на основе кратковременного штарковского расщепления вырожденных уровней. Изучены особенности квантовой интерференции при микроволновом эффекте Хаиле в магнитном поле.

В четвертой главе представлены результаты экспериментов по микроволновой спектроскопии когерентных и нелинейных процессов для миогофотонных переходов в ридберговских атомах Na. Приведены экспериментальные записи панорамных спектров этих переходов, исследовано влияние статического эффекта Штарка. Даны результаты первого экспериментального наблюдения двухфотонного динамического эффекта Штарка на переходе 36Р-37Р методом пробного поля. В постоянном электрическом поле впервые наблюдалось возникновение двойного штарковского резонанса на двухфотонных переходах 36Р-37Р и 36Р-37Р. Исследован механизм этого эффекта, выполнены численные расчеты критических полей, изучено влияние режимов включения электрического поля и поляризации возбуждающего лазерного излучения. Предложен и реализован новый метод калибровки напряженности электрического поля в вакууме методом штарковской подстройки двойного микроволнового резонанса. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование кинетических эффектов при многофотонном взаимодействии ридберговских атомов с интенсивным микроволновым полем.

В пятой главе приводятся результаты экспериментов по квантовой интерференции каналов одно- и двухфотонной ионизации атомов Na в возбужденном состоянии 4S излучением соответственно второй и первой гармоник Nd:YAG^a3epa. Обнаружено, что интерференция приводит к полярной асимметрии диаграммы вылета фотоэлектронов в полном соответствии с теоретическими предсказаниями. Также измерено сечение двухфотонной ионизации, получено хорошее согласие с расчетами в трехуровневом приближении.

В Заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертации.

Апробация работы. Основные результаты по теме диссертации докладывались и обсуждались на семинарах ИФП СО РАН, ИАиЭ СО РАН, ИЛФ СО РАН, МФТИ, ЛГУ, Международных Вавиловских конференциях по нелинейной оптике (Новосибирск 1987, 1990, 1997); XX Всесоюзном съезде по спектроскопии (Киев, 1988); Всесоюзных семинарах по лазерной резонансной ионизационной спектроскопии (Новосибирск 1988, 1991); Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике ICONO (Санкт-Петербург 1991, 1995; Москва 1998; Минск 1988, 2001); Международных конференциях по резонансной ионизационной спектроскопии RIS (Гайтерсбург 1988; Бернкастель

Куес 1994); Международных конференциях по многофотонным процессам ICOMP (Париж 1990, 1996); Международных конференциях по атомной физике ICAP (Амстердам 1996; Виндзор 1998; Флоренция 2000); Международной конференции MPLP-2000 (Новосибирск 2000); Европейской конференции по атомной и молекулярной физике ЕСАМР-7 (Берлин 2001); Международной конференции по квантовой электронике IQEC-2002 (Москва 2002); Международной конференции по квантовой информации (Сан-Фелиу 2002); Международной конференции Европейской группы по атомной спектроскопии EGAS-31 (Марсель 1999).

Основные результаты диссертации содержатся в работах, выполненных совместно с д.ф.-м.н. И.М.Бетеровым, к.ф.-м.н. Н.В.Фатеевым, к.ф.-м.н. Г.Л.Василенко, к.ф.-м.н. А.А.Шульгиновым, к.ф.-м.н. А.В.Безвербным, д.ф.-м.н. А.М.Тумайкиным, м.н.с. Д.Б.Третьяковым, которым автор выражает свою глубокую благодарность. Все результаты, вошедшие в диссертацию, получены при личном определяющем участии автора в постановке задач, разработке методов их решения, подготовке и проведении экспериментов, анализе и представлении результатов.

Заключение

Настоящая диссертационная работа была посвящена систематическому экспериментальному и теоретическому изучению когерентных и нелинейных процессов в ридберговских атомах при оптических и микроволновых переходах между ридберговскими состояниями и при фотоионизации атомов, а также экспериментальной демонстрации возможных практических применений полученных результатов. Основное внимание уделялось выявлению особенностей когерентного взаимодействия атомов с излучением, нелинейным многофотонным процессам, квантовой интерференции, развитию новых экспериментальных методик для исследования и управления ридберговскими атомами. Отсутствие спонтанной релаксации и столкновительного уширения линий переходов между ридберговскими состояниями позволили впервые наблюдать ряд новых эффектов. Благодаря разработке оригинальных методик проведения экспериментов измерялись и накапливались сигналы от одиночных ридберговских атомов при низкой концентрации атомного пучка, что является отличительной особенностью экспериментов с ридберговскими атомами.

Основными результатами работы являются:

1. Реализация новой схемы лазерного возбуждения и разработка оригинальной методики проведения экспериментов по микроволновой спектроскопии ридберговских атомов Na.

2. Спектроскопия одно- и многофотонных микроволновых переходов из п? состояний ридберговских атомов Na в области п = 30-40, исследование статического и динамического эффектов Штарка на микроволновых переходах, измерение статических поляризуемостей и напряженности СВЧ-поля, изучение взаимодействия с тепловыми фотонами в микроволновом резонаторе.

3. Первое наблюдение и исследование расщепления линий вследствие двухфотонного динамического эффекта Штарка на микроволновом переходе 36Р^37Р в ридберговских атомах Na.

4. Первое наблюдение и исследование эффекта двойного штарковского резонанса на двухфотонных переходах иР—>(и+1)Р в атомах Na, возникающего вследствие пересечения реального промежуточного уровня («+1)S с виртуальным уровнем в электрическом поле, и его использование для абсолютной калибровки напряженности электрического поля в вакууме.

5. Анализ кинетических эффектов при движении пучка ридберговских атомов в интенсивном микроволновом поле. Показано, что поле стоячей волны может приводить к отклонению и рассеянию пучка вследствие градиентной силы. Этот процесс наиболее эффективен для мпогофотонпых резонансов в ридберговских атомах.

6. Экспериментальная реализация квантового интерферометра на основе кратковременного штарковского расщепления вырожденных ридберговских уровней электрическим полем. Продемонстрирована высокая чувствительность интерференционной картины к лабораторному магнитному полю и поляризации возбуждающего лазерного излучения, а также возможность эффективного управления вероятностью перехода с помощью импульса электрического поля.

7. Исследование микроволнового эффекта Ханле в ридберговских атомах. Показано, что ширина огибающей сигнала Ханле в ридберговских атомах определяется временем взаимодействия с микроволновым излучением, а сам сигнал, при определенных условиях, сопровождается квантовыми биениями вследствие интерференции вырожденных состояний.

8. Изучение квантовой интерференции каналов одно- и двухфотонной фотоионизации 4S состояния Na излучением второй и первой гармоник Nd:YAG^a3epa. Впервые продемонстрировано, что квантовая интерференция приводит к предсказанной полярной асимметрии диаграммы вылета фотоэлектронов. Измеренное сечение двухфотонной ионизации 4S состояния Na излучением первой гармоники Nd:YAG лазера хорошо совпадает с расчетами в трехуровневой модели.

Совокупность полученных результатов, объединенных в данной работе, вносит значительный вклад в новое научное направление - физику ридберговских атомов. Это направление имеет исключительную важность как с точки зрения фундаментальных исследований, позволяя поверять справедливость различных теоретических моделей когерентного и нелинейного взаимодействия атомов с интенсивным излучением, так и с точки зрения разнообразных применений для спектроскопии высокого разрешения, квантовых неразрушающих измерений, атомной интерферометрии, измерения электрических полей, когерентного контроля фотоионизации и т.д. Разработанные методики контроля и управления состоянием ридберговских атомов могут быть использованы в перспективных исследованиях по созданию логических элементов квантовых компьютеров и получению перепутанных состояний на основе диполь-дипольного взаимодействия ридберговских атомов [47].

Дальнейшие перспективы исследований ридберговских атомов связаны, главным образом, с переходом к экспериментам с холодными атомами. Современные методы лазерного охлаждения и захвата атомов позволяют достигать температур порядка 100 мкК в магнито-оптических ловушках и даже более низких температур в оптических и магнитных ловушках [8,9]. По сравнению с экспериментами в атомных пучках, холодные ридберговские атомы предоставляют гораздо больше возможностей для изучения когерентных и нелинейных процессов благодаря отсутствию теплового движения и влияния эффекта Допплера, большим временам удержания в ловушках и соответственно большим временам взаимодействия с излучением и друг с другом, возможности локализации атомов в упорядоченных оптических решетках. Например, в недавно выполненных нами экспериментах по микроволновой спектроскопии холодных атомов Rb в магнито-оптической ловушке наблюдались эффекты, связанные с оптической перекачкой в когерентные темные состояния в центре облака холодных атомов [197]. Особый интерес представляют эксперименты с одиночными атомами в оптических дипольных ловушках [9-11] для практической реализации логических элементов квантового компьютера на атомах в ридберговских состояниях [198-200] и изучения дальнодействующих взаимодействий между ридберговскими атомами [201-204].

Автор посвящает данную диссертацию памяти Игоря Менделевича Бетерова. Глубокая благодарность выражается Н.В.Фатееву как соавтору большинства работ, а также Г.Л.Василенко, Д.Х.Гарифуллину, А.О.Выродову, Д.Б.Третьякову, В.М.Энтину и И.И.Бетерову за участие в подготовке и проведении экспериментов.

1. Собельмаи И.И., "Введение в теорию атомных спектров", Москва: Наука, 1977.

2. Александров Е.Б., Хвостенко Г.И., Чайка М.П., "Интерференция атомных состояний", Москва: Наука, 1991.

3. Раутиан С.Г., Смирнов Г.И., Шалагин A.M., "Нелинейные резонансы в спектрах атомов и молекул", Новосибирск: Наука, 1979.

4. Летохов B.C., Чеботаев В.П., "Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения", Москва: Наука, 1990.

5. Делоне Н.Б., Крайнов В.П., "Атом в сильном световом поле", Москва: Эпергоатомиздат, 1984.

6. Акулин В.М., Карлов Н.В., "Интенсивные резонансные взаимодействия в квантовой электронике", Москва: Наука, 1987.

7. Шеи И.Р., "Принципы нелинейной оптики", Москва: Наука, 1989.

8. Metcalf H.J., van der Straten P., "Laser Cooling and Trapping", New York: Springer, 1999.

9. Grimm R., Weidemiiller M., Ovchinnikov Yu.B., "Optical dipole traps for neutral atoms", Adv. At. Mol. Opt. Phys., 2000, v.42, pp.95-170.

10. Schlosser N., Reymond G., Grangier P., "Collisional Blockade in Microscopic Optical Dipole Traps", Phys. Rev. Lett., 2002, v.89, pp.023005(l-4).

11. Gruska J.,"Quantum Computing", McGraw-Hill: London, 1999.

12. Steane A.M., "Quantum computing", Rep. Prog. Phys., 1998, v.61, pp.117-173.

13. Mermin N., "What's wrong with these elements of reality?", Physics Today, June 1990, p.9.

14. Woerdman J.P., "Self-broadening of the Na 3S-5S and 3S-4D two photon transition", Opt. Comm., 1979, v.28, № 1, pp.69-72.

15. Ридберговские состояния атомов и молекул", под ред. Р.Стеббингса и Ф.Даннинга, Москва: Мир, 1985.

16. Gallagher T.F., "Rydberg Atoms", Cambridge: Cambridge University Press, 1994.

17. Ключарев A.H., Янсон M.JI., "Элементарные процессы в плазме щелочных металлов", Москва: Энергоатомиздат, 1988.

18. Смирнов Б.М., "Возбужденные атомы", Москва: Энергоатомиздат, 1982. Летохов B.C., "Лазерная фотоионизационная спектроскопия", Москва: Наука, 1983.

19. Рябцев И.И., "ИК и микроволновая спектроскопия резонансных и многофотонных переходов в ридберговских атомах натрия", диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Новосибирск, 1992.

20. Бетеров И.М., Василенко Г.Л., Рябцев И.И., Фатеев Н.В., "Лазеры на центрах окраски в спектроскопии ридберговских состояний", В сборнике: "Перестраиваемые лазеры и их применение", Институт теплофизики СО АН СССР, Новосибирск, 1988, с.141-151.

21. Beterov I.M., Ryabtsev 1.1., Fateev N.V., "Probing of weak static electric field by Rydberg atoms", in "Nonlinear Optics", Nova Science Publishers, New York, USA, 1992, pp.437-443 (труды X Международной Вавнловской конференции, Новосибирск, 1990).

22. Бетеров И.М., Рябцев И.И., "Прецизионная штарковская спектроскопия тонкой структуры микроволнового перехода 37P-37S в ридберговских атомах натрия", Письма в ЖЭТФ, 1998, т.68, в. 12, с.853-857.

23. Beterov I.M., Ryabtsev 1.1., "Ionization probing of static electric fields by the double Stark resonance in Rydberg atoms", AIP Conference Proceedings, 1995, Ser.329, pp.472-475 (Proceedings of RIS-94, 1994, Bernkastel-Kues, Germany).

24. Бетеров И.М., Василенко Г.Л., Крайнов В.П., Рябцев И.И., Фатеев Н.В., "Абсолютная калибровка электрического поля на основе штарковскойподстройки двойного микроволнового резонанса в ридберговскихатомах", Письма в ЖТФ, 1991, т. 17, в.9, с.44-48.

25. Бетеров И.М., Выродов А.О., Рябцев И.И., Фатеев Н.В., "Микроволновая спектроскопия двухфотонных переходов и двойной штарковскийрезонанс в ридберговских атомах натрия", ЖЭТФ, 1992, т. 101, в.4, с.11541176.

26. Рябцев И.И., Третьяков Д.Б., "Разрыв L-S связи и двойной штарковский резонанс в спектре двухфотонного перехода 36Р-37Р в ридберговскихф атомах натрия", ЖЭТФ, 2002, т.121, в.4, с.787-796.

27. Beterov I.M., Ryabtsev I.I., "Multiphoton potential scattering of Rydberg atoms by the microwave field", Laser Physics, 1994, v.4, No.5, pp.953-956.

28. Бетеров И.М., Рябцев И.И., "Наблюдение двухфотонного потенциального ^ рассеяния ридберговских атомов натрия микроволновым полем", Письмав ЖЭТФ, 1994, т.59, в.2, с.91-93.

29. Beterov I.M., Ryabtsev I.I., "Multiphoton potential scattering of Rydberg atoms0by the microwave field", AIP Conference Proceedings, 1995, Ser.329, pp.161164 (Proceedings of RIS-94, 1994, Bernkastel-Kues, Germany).

30. П 37. Бетеров И.М., Рябцев И.И., "Кинетические явления при многофотонныхрезонансах в ридберговских атомах", Известия РАН, сер. физ., 1996, т.60, в.6, с.21-25.

31. Beterov I.M., Ryabtsev 1.1., "Kinetic phenomena at multiphoton resonances in ^ Rydberg atoms", Proceedings of SPIE, 1996, v.2796, pp.116-120 (труды

32. ONO-95, Санкт-Петербург, 1995).

33. Безвербный A.B., Бетеров И.М., Тумайкин A.M., Рябцев И.И., "Резонансное рассеяние трехуровневых ридберговских атомов в СВЧ поле", ЖЭТФ, 1997, т.111, в.З, с.796-815.

34. Bezverbny A.V., Beterov I.M., Garifullin D.Kh., Ryabtsev I.I., Tumaikin A.M., "Profile of the beam of Rydberg atoms in the strong standing microwave field", Laser Physics, 1997, v.7, No.3, pp.897-901.

35. Бетеров И.М., Рябцев И.И., "Вынужденное излучение ридберговского Ф атома натрия в микроволновом резонаторе", Письма в ЖЭТФ, 1999, т.69,в.6, с.413-416.

36. Ryabtsev I.I., Beterov I.M., "Quantum interferometry of degenerate Rydberg states using a temporary dc Stark splitting", Phys. Rev. A, 2000, v.61, pp.063414(1-9).

37. Ryabtsev I.I., Tretyakov D.B., "Microwave Hanle effect in Rydberg atoms", Phys. Rev. A, 2001, v.64, pp.033413(l-8).

38. Ryabtsev I.I., Tretyakov D.B., "Hanle effect in Rydberg atoms of sodium", ф Proceedings of SPIE, 2002, v. 4748, pp. 228-234 (Труды ICONO-2001,1. Минск, 2001).

39. Баранова Н.Б., Бетеров И.М., Зельдович Б.Я., Рябцев И.И., Чудинов А.Н., Шульгинов А.А., "Обнаружение интерференции одно- и двухфотонногопроцессов ионизации 4S состояния натрия", Письма ЖЭТФ, 1992, т.55,в.8, с.431-435.

40. Rydberg J.R., "On the Structure of the Line Spectra of the Chemical Elements", Phil. Mag. 5th series, 1890, v.29, pp.331-337.

41. Mourachko I., Comparat D., de Tomasi F., Fioretti A., Nosbaum P., Akulin V.M., Pillet P., "Many-Body Effects in a Frozen Rydberg Gas", Phys. Rev. Lett., 1998, v.80, pp.253-256.

42. Raymond J.M., Brune M., Haroche S., "Colloquium: Manipulating quantum entanglement with atoms and photons in a cavity", Rev. Mod. Phys., 2001, v.73, pp.565-582.

43. Fabre C., Haroche S., Goy P., "Millimeter spectroscopy in sodium Rydberg states: quantum-defect, fine-structure, and polarizability measurements", Phys. Rev. A, 1978, v.18, №1, pp.229-237.

44. Fabre C., Haroche S., Goy P., "Addendum to "Millimeter spectroscopy insodium Rydberg states"", Phys. Rev. A, 1980, v.22, №2, pp.778-781.

45. Goy P., Fabre C., Gross M., Haroche S., "High resolution two-photonmillimeter spectroscopy in sodium Rydberg states", J. Phys. B, 1980, v. 13,pp.L83-L91.

46. Gallagher T.F., Hill R.M., Edelstein S.A., "Resonance measurements of d-f-g-h splittings in highly excited states of sodium", Phys. Rev. A, 1976, v. 14, №2, pp.744-750.

47. Герасимов В.Г., Дюбко С.Ф., Ефименко М.Н., Ефремов В.А., Подоба В.Б., Поднос С.В., Резник А.В., "Измерение частот микроволновых переходов в ридберговских состояниях атомов натрия", Квантовая электроника, 1991, т. 18, №4, с.410-413.

48. Дюбко С.Ф., Ефименко М.Н., Ефремов В.А., Поднос С.В., "Квантовый дефект и тонкая структура термов ридберговсих атомов Na I в S-, Р- и D-состояниях", Квантовая электроника, 1995, т.22, №9, с.946-950.

49. Edmonds A.R., Plcart J., Tran Minh N., Pullen R., "Tables for the computation of radial integrals in the Coulomb approximation", J. Phys. B, 1979, v. 12, №17, pp.2781-2787.

50. Гореславский С.П., Делоне Н.Б., Крайнов В.П., "Радиационные переходы между квазиклассическими атомными состояниями", Препринт ФИАН СССР, 1982, №33.

51. Гореславский С.П., Делоне Н.Б., Крайнов В.П., "Вероятности радиационных переходов между высоковозбужденными атомными состояниями", ЖЭТФ, 1982, т.82, с.1789-1797.

52. Figger Н., Leuchs G., Straubinger R., Walther H., "Photon detector for submillimetre wavelength using Rydberg atoms", Opt. Comm., 1980, v.33, pp.3 7-41.

53. Gallagher T.F., Cooke W.E., "The detection of 300°K blackbody radiation with Rydberg atoms", Appl. Phys. Lett., 1979, v.34, №6, pp.369-371.

54. Theodosiou C.E., "Lifetimes of alkali-metal-atom Rydberg states", Phys. Rev. A, 1984, v.30, №6, pp.2881-2909.

55. Веролайнен Я.Ф., Николаич А.Я., "Радиационные времена жизни возбужденных состояний атомов", УФН, 1982, т. 137, в.2, с.305-338

56. Gallagher T.F., Cooke W.E., "Interaction of blackbody radiation with atoms", Phys. Rev. Lett., 1979, v.42, №13, pp.835-839.

57. Cooke W.E., Gallagher T.F., "Effects of blackbody radiation on highly excited atoms", Phys. Rev. A, 1980, v.21, pp.588-593.

58. Юночарев A.H., Безуглов H.H., "Процессы возбуждения и ионизации атомов при поглощении света", Ленинград: Изд-во ЛГУ (1983).

59. Hulet R.G., Kleppner D., "Rydberg atoms in circular states", Phys. Rev. Lett., 1983, v.51, pp.1430-1433.

60. П 74. Delande D., Gay J.C., "A new method for producing circular Rydberg states",

61. Europhys. Lett., 1988, v.5, pp.303-308.

62. Hildebrandt G.E., Kellert F.G., Foltz G.W., Smith K.A., Dunning F.B., Stebbings R.F., Belting E.J., "The effects of 300 К background radiation onф Rydberg atoms", J. Chem. Phys., 1979, v.70, №7, pp.3551-3552.

63. Parley J.W., Wing W.H., "Accurate calculation of dynamic Stark shifts and depopulation rates of Rydberg energy levels induced by blackbody radiation. Hydrogen, helium and alkali metal atoms", Phys. Rev. A, 1981, v.23, №5, pp.23 97-2423.

64. Lehman G.W., "Rate of ionization of H and Na Rydberg atoms by black-body radiation", J. Phys. B, 1983, v. 16, pp.2145-2156.

65. Давыдкин B.A., Зон Б.А., "Радиационные и поляризационные характеристики ридберговских состояний атомов. II", Оптика и спектроскопия, 1982, т.52, с.600-604.

66. Cacciani P., Liberman S., Luc-Koenig Е., Pinard J., Thomas S.C., "Anticrossing effect in Rydberg states of lithium in the presence of parallel magnetic and electric fields" Phys. Rev. A, 1989, v.40, №6, pp.3026-3033.

67. Zimmerman M.L., Littman M.G., Kash M.M., Kleppner D., "Stark structure of the Rydberg states of alkali-metal atoms", Phys. Rev. A, 1979, v.20, pp.22512275.

68. Ernst W.E., Softley T.P., Zare R.N., "Stark-effect studies in xenon autoionizing Rydberg states using atunable extreme-ultraviolet laser source", Phys. Rev. A, 1988, v.37, №11, pp.4172-4183.

69. Zaki Ewiss M.A., Hogerworst W., Vassen W., Post B.H., "The Stark effect in the 6S hF Rydberg series of Barium", Z. Phys. A, 1985, v.322, pp.371-383.

70. Zimmerman M.L., Castro J.C., Kleppner D., "Diamagnetic Structure of Na Rydberg States", Phys. Rev. Lett. 1978, v.40, pp. 1083-1086.

71. Castro J.C., Zimmerman M.L., Hulet R.G., Kleppner D., "Origin and Structure of the Quasi-Landau Resonances", Phys. Rev. Lett. 1980, v.45, pp. 1780-1783.

72. Ducas Т., Littman M., Freeman R., Kleppner D., "Stark Ionization of high-lying states of sodium", Phys. Rev. Lett., 1975, v.35, pp.366-370.

73. Амбарцумян P.B., Беков Г.И., Летохов B.C., Мишин В.И., "Возбуждение высоколежащих состояний атома натрия излучением лазеров накрасителях и автоионизация их в электрическом поле", Письма ЖЭТФ, 1975, т.21, вып. 10, с.595-598.

74. Stebbings R.F., Latimer C.J., West W.P., Dunning F.B., Cook T.B., "Studies of xenon atoms in high Rydberg states", Phys. Rev. A, 1975, v.12, pp.1453-1458.

75. Gallagher Т., Humphrey L., Hill R., Edelstein S., "Resolution of |m/| and |m;| Levels in the Electric Field Ionization of Highly Excited d States of Na", Phys. Rev. Lett. 1976, v.37, pp.1465-1467.

76. McMillan G.B., Jeys Т.Н., Smith K.A., Dunning F.B., Stebbings R.F., "High-resolution field ionization of Na(nS,nD) Rydberg atoms", J. Phys. B, 1982, v.15, pp.2131-2138.

77. Martin N.L.S., MacAdam K.B., "Electric-field ionization of laser excited Rydberg atoms in a magnetic field", J. Phys. .B, 1986, v.19, pp.2435 -2442.

78. Moi L., Goy P., Gross M., Raimond J.M., Fabre C., Haroche S., "Rydberg-atom masers. I. A theoretical and experimental study of super-radiant systems in the millimeter-wave domain", Phys. Rev. A, 1983, v.27, pp.2043-2064.

79. Айнбунд M.P., Поленов Б.В., "Вторично-электронные умножители открытого типа и их применение", Москва: Энергоиздат, 1981.

80. Bloomfield L.A., Stonemamn R.C., Gallagher T.F., "Microwave multiphoton transition between Rydberg states of potassium", Phys. Rev. Lett., 1986, v.57, pp.2512-2515.

81. Gallagher T.F., Sholz T.J., "Above-threshold ionization at 8GHz", Phys. Rev. A, 1989, v.40, №5, pp.2762-2765.

82. Water W., Yoakim S., Leeuwen Т., Saner B.E., Moorman L., Galvez E.J., Marian D.R., Koch P.M., "Microwave multiphoton ionization and exciting of helium Rydberg atoms", Phys. Rev. A, 1990, v.42, №1, pp.572-591.

83. Bayfield J., Gardner L., Koch P., "Observation of resonance in the microwave-stimulated multiphoton excitation and ionization of highly excited Hydrogen atoms", Phys. Rev. Lett., 1977, v.39, №2, pp.76-79.

84. Koch P.M., "Resonant states in the nonperturbative regime: the Hydrogen atom in the intense electric field", Phys. Rev. Lett., 1978, v.41, №2, pp.99-103.

85. Делоне Н.Б., Крайнов В.П., Шепелянский Д.Л., "Высоковозбужденный атом в электромагнитном поле", УФН, 1983, т.1406, с.355-392.м