Войти
Упрощенный принцип доплеровского лазерного охлаждения: | 1 | Стационарный атом не видит лазер ни красным, ни синим - смещается и не поглощает фотон. |
|---|---|
| 2 | Атом, удаляющийся от лазера, видит его сдвиг в красную область и не поглощает фотон. |
| 3.1 | Атом, движущийся по направлению к лазеру, видит, что он смещен в синий цвет, и поглощает фотон, замедляя атом. |
| 3.2 | Фотон возбуждает атом, переводя электрон в более высокое квантовое состояние. |
| 3.3 | Атом повторно излучает фотон. Поскольку его направление случайное, нет чистого изменения импульса для многих атомов. |
Доплеровское охлаждение - это механизм, который можно использовать для улавливания и замедления движения атомов с целью охлаждения вещества. Этот термин иногда используется как синоним лазерного охлаждения, хотя лазерное охлаждение включает другие методы.
Доплеровское охлаждение было одновременно предложено двумя группами в 1975 год, первым из которых был Дэвид Дж. Вайнленд и Ханс Георг Демельт, а вторым - Теодор В. Хэнш и Артур Леонард Шавлов. Впервые это было продемонстрировано Wineland, Drullinger и Walls в 1978 году, а вскоре после этого - Neuhauser, Hohenstatt, Toschek и Dehmelt. Одна концептуально простая форма доплеровского охлаждения упоминается как оптическая патока, поскольку диссипативная оптическая сила напоминает вязкое сопротивление телу. движется через патоку. Стивен Чу, Клод Коэн-Таннуджи и Уильям Д. Филлипс были удостоены Нобелевской премии по физике 1997 года за работу в области лазерного охлаждения. и захват атомов.
Доплеровское охлаждение включает свет с частотой, настроенной немного ниже электронного перехода в атоме. Поскольку свет расстроен на «красный» (то есть на более низкую частоту) перехода, атомы будут поглощать больше фотонов, если они будут двигаться к источнику света из-за Эффект Доплера.
Рассмотрим простейший случай одномерного движения по оси x . Пусть фотон движется в направлении + x, а атом - в направлении - x . В каждом случае поглощения атом теряет импульс, равный импульсу фотона. Атом, который сейчас находится в возбужденном состоянии, испускает фотон спонтанно, но случайным образом вдоль + x или - x . Импульс возвращается атому. Если фотон был испущен вдоль + x, то чистого изменения нет, однако, если фотон был испущен вдоль - x, тогда атом движется медленнее в любом - x или + x.
Конечным результатом процесса поглощения и излучения является снижение скорости атома при условии, что его начальная скорость больше, чем скорость отдачи от рассеяния одиночного фотона. Если поглощение и излучение повторяются много раз, средняя скорость и, следовательно, кинетическая энергия атома будут уменьшены. Поскольку температура ансамбля атомов является мерой случайной внутренней кинетической энергии, это эквивалентно охлаждению атомов.
Предел доплеровского охлаждения - это минимальная температура, достижимая при доплеровском охлаждении.
Подавляющее большинство фотонов, которые приближаются к конкретному атому, почти не подвергаются действию этого атома. Атом почти полностью прозрачен для большинства частот (цветов) фотонов.
Несколько фотонов «резонируют » с атомом в нескольких очень узких полосах частот (один цвет, а не смесь, как белый свет ). Когда один из этих фотонов приближается к атому, атом обычно поглощает этот фотон (спектр поглощения ) в течение короткого периода времени, а затем излучает идентичный фотон (спектр излучения ) в какое-то случайное, непредсказуемое направление. (Существуют и другие виды взаимодействий между атомами и фотонами, но они не имеют отношения к этой статье.)
Популярная идея о том, что лазеры увеличивают тепловую энергию вещества, не соответствует действительности при исследовании отдельных атомов. Если данный атом практически неподвижен («холодный» атом) и частоту сфокусированного на него лазера можно контролировать, большинство частот не влияет на атом - он невидим на этих частотах. Есть только несколько точек электромагнитной частоты, которые имеют какое-либо влияние на этот атом. На этих частотах атом может поглотить фотон из лазера, переходя в возбужденное электронное состояние, и уловить импульс этого фотона. Поскольку теперь у атома есть импульс фотона, атом должен начать дрейфовать в направлении, в котором двигался фотон. Спустя короткое время атом самопроизвольно испускает фотон в случайном направлении, так как он релаксирует в более низкое электронное состояние. Если этот фотон испускается в направлении исходного фотона, атом передаст свой импульс фотону и снова станет неподвижным. Если фотон испускается в противоположном направлении, атом должен будет обеспечить импульс в этом противоположном направлении, что означает, что атом получит еще больший импульс в направлении исходного фотона (для сохранения импульса) с удвоенной исходной скоростью.. Но обычно фотон уносится в каком-то другом направлении, давая атому хоть какой-то боковой толчок.
Другой способ изменения частот - это изменение положения лазера. Например, с помощью монохроматического (одноцветного) лазера, частота которого немного ниже одной из «резонансных» частот этого атома (на этой частоте лазер не будет напрямую влиять на состояние атома). Если бы лазер был расположен так, чтобы он двигался к наблюдаемым атомам, тогда эффект Доплера повысил бы его частоту. При одной конкретной скорости частота будет точно правильной, чтобы упомянутые атомы начали поглощать фотоны.
Что-то очень похожее происходит в устройстве для лазерного охлаждения, за исключением того, что такие устройства начинаются с теплого облака атомов, движущихся во многих направлениях с переменной скоростью. Начиная с частоты лазера, значительно меньшей резонансной частоты, фотоны любого лазера проходят сквозь большинство атомов. Однако атомы, быстро движущиеся к конкретному лазеру, улавливают фотоны этого лазера, замедляя эти атомы, пока они снова не станут прозрачными. (Атомы, быстро удаляющиеся от этого лазера, прозрачны для фотонов этого лазера, но они быстро движутся к лазеру, находящемуся прямо напротив него). Это использование определенной скорости для индуцирования поглощения также видно в мессбауэровской спектроскопии.
На графике скоростей атомов (быстро движущиеся вправо атомы соответствуют неподвижным точкам далеко вправо, атомы, быстро движущиеся влево, соответствуют с неподвижными точками далеко слева), на левом краю есть узкая полоса, соответствующая скорости, с которой эти атомы начинают поглощать фотоны от левого лазера. Атомы в этой полосе - единственные, которые взаимодействуют с левым лазером. Когда фотон от левого лазера врезается в один из этих атомов, он внезапно замедляется на величину, соответствующую импульсу этого фотона (точка будет перерисована на некотором фиксированном «квантовом» расстоянии дальше вправо). Если атом выпускает фотон прямо вправо, то точка перерисовывается на том же расстоянии влево, возвращая ее в узкую полосу взаимодействия. Но обычно атом выпускает фотон в другом случайном направлении, и точка перерисовывает это квантовое расстояние в противоположном направлении.
Такой аппарат будет построен с множеством лазеров, соответствующих множеству граничных линий, которые полностью окружают это облако точек.
По мере увеличения частоты лазера граница сжимается, подталкивая все точки на этом графике к нулевой скорости, что соответствует определению «холода».
Доплеровская температура - это минимальная температура, достижимая при доплеровском охлаждении.
Когда фотон поглощается атомом, распространяющимся в противоположных направлениях источнику света, его скорость уменьшается на сохранение импульса. Когда поглощенный фотон самопроизвольно испускается возбужденным атомом, атом получает импульс в случайном направлении. Спонтанные выбросы изотропны, и поэтому эти импульсы импульса в среднем равны нулю для средней скорости. С другой стороны, средний квадрат скорости, 
где 
Допплеровский предел был проверен на газе метастабильного гелия.
С помощью различных методов лазерного охлаждения были достигнуты температуры, значительно ниже доплеровского предела, включая сизифовое охлаждение и испарительное охлаждение. Теория доплеровского охлаждения предполагает атом с простой двухуровневой структурой, тогда как большинство разновидностей атомов, охлаждаемых лазером, имеют сложную сверхтонкую структуру. Такие механизмы, как сизифовское охлаждение из-за нескольких основных состояний, приводят к температурам ниже доплеровского предела.
Концентрация должна быть минимальной, чтобы предотвратить поглощение фотонов в газ в виде тепла. Это поглощение происходит, когда два атома сталкиваются друг с другом, в то время как один из них имеет возбужденный электрон. Тогда существует возможность того, что возбужденный электрон вернется в основное состояние, и его дополнительная энергия высвободится в виде дополнительной кинетической энергии для сталкивающихся атомов, что нагревает атомы. Это препятствует процессу охлаждения и, следовательно, ограничивает максимальную концентрацию газа, который может быть охлажден этим методом.
Только определенные атомы и ионы имеют оптические переходы, поддающиеся лазерному охлаждению, так как чрезвычайно трудно генерировать количество лазерной мощности, необходимой для длин волн намного короче 300 нм. Кроме того, чем больше сверхтонкой структуры у атома, тем больше у него возможностей испустить фотон из верхнего состояния и не вернуться в исходное состояние, переведя его в темное состояние и сняв его с процесса охлаждения. Можно использовать другие лазеры для оптической накачки этих атомов обратно в возбужденное состояние и повторить попытку, но чем сложнее сверхтонкая структура, тем больше требуется лазеров (узкополосных, с синхронизацией частоты). Поскольку лазеры с синхронизацией частоты сложны и дороги, атомы, которым требуется более одного дополнительного лазера с повторной накачкой, редко охлаждаются; для обычной магнитооптической ловушки рубидия , например, требуется один лазер с повторной накачкой. Это также причина того, почему молекулы, как правило, трудно охлаждать лазером: помимо сверхтонкой структуры, молекулы также имеют ровибронные связи и, следовательно, также могут распадаться на возбужденные вращательные или колебательные состояния. Однако было продемонстрировано, что лазерное охлаждение молекул сначала работает с молекулами SrF, а затем и с другими диатомовыми веществами, такими как CaF и YO.
Встречные наборы лазерных лучей во всех трех декартовых измерениях могут использоваться для охлаждения трех движущихся степеней свободы атом. Общие конфигурации лазерного охлаждения включают в себя оптическую патоку, магнитооптическую ловушку и Зиман более медленные.
атомарные ионы, захваченные в ионную ловушку , можно охлаждать с помощью одного лазерного луча, если этот луч имеет составляющую по всем трем степеням свободы движения. Это контрастирует с шестью пучками, необходимыми для захвата нейтральных атомов. Первоначальные эксперименты по лазерному охлаждению проводились на ионах в ионных ловушках. (Теоретически нейтральные атомы можно было бы охладить с помощью одного пучка, если бы они могли быть захвачены в глубокую ловушку, но на практике нейтральные ловушки намного мельче, чем ионные, и одного события отдачи может быть достаточно, чтобы выбить нейтральный атом из ловушки. ловушка.)
Одним из применений доплеровского охлаждения является метод оптической патоки. Этот процесс сам по себе является частью магнитооптической ловушки, но его можно использовать независимо.
Доплеровское охлаждение также используется в спектроскопии и метрологии, где охлаждение позволяет использовать более узкие спектроскопические характеристики. Например, все лучшие технологии атомных часов в какой-то момент включают доплеровское охлаждение.
