Водородоподобные атомы K, Rb, Cs.., имеющие один электрон на внешней оболочке, являются основными объектами квантовой оптики, и одновременно – рабочими инструментами в оптических квантовых датчиках (ОКД) магнитного поля, частоты и вращения. Основным фактором, препятствующим созданию высокочувствительных ОКД, является спин-обменная релаксация, то есть разрушение ориентации атомов при соударениях. Добиться ее подавления даже при высокой концентрации атомов и скорости их соударений удалось только в XXI веке – в сверхслабых магнитных полях при сильной оптической накачке (т.н. эффект SERF – Spin-Exchange Relaxation Free). На основе этого эффекта были созданы SERF-ОКД магнитного поля с разрешением в единицы фТл, уже успешно используемые в магнитной энцефалографии мозга.

Эффект SERF является проявлением фундаментального закона сохранения момента импульса (далее – просто момента): если все атомы в ансамбле имеют одинаковую, причем максимально возможную проекцию момента (состояние полной ориентации), их соударения не способны изменить это состояние, т.к. это привело бы к изменению полного момента системы.

Таких ограничений, однако, не существует для состояния квадрупольной составляющей момента – выстраивания, характеризующегося симметричным распределением атомов по положительным и отрицательным проекциям момента, и, соответственно, нулевым значением полного момента. Очевидно, поэтому никогда не предпринимались попытки обнаружить SERF в выстраивании.

Нами были проведены исследования динамики выстраивания атомных моментов в Cs в условиях оптической накачки линейно поляризованным светом в сверхслабом магнитном поле, и обнаружен эффект подавления спин-обменной релаксации в выстраивании, по своим проявлениям аналогичный эффекту SERF, наблюдаемому в ориентации. Обнаруженный эффект не только открывает возможность создания SERF-ОКД на выстраивании, но и поднимает фундаментальный вопрос о причине сохранения выстраивания, то есть квадрупольной составляющей момента импульса, при быстрых соударениях. Согласно теореме Нётер, каждому закону сохранения должна соответствовать симметрия пространства-времени. Наш результат, возможно, ставит перед теоретиками задачу поиска такой симметрии.

Публикации

1. [1] M.V. Petrenko and A.K. Vershovskii. Anomalous suppression of spin-exchange relaxation in alignment signals in cesium in ultra-weak magnetic field – Phys. Rev. A, 112, 1, 013123 (2025).