Войти
Лазерное охлаждение включает в себя ряд методов, в которых атомные и молекулярные образцы охлаждаются почти до абсолютного нуля. Методы лазерного охлаждения основываются на том факте, что когда объект (обычно атом) поглощает и повторно излучает фотон (частица света), его импульс изменяется. Для ансамбля частиц их термодинамическая температура пропорциональна дисперсии их скорости. То есть более однородные скорости частиц соответствуют более низкой температуре. Методы лазерного охлаждения сочетают атомную спектроскопию с вышеупомянутым механическим эффектом света для сжатия распределения скоростей ансамбля частиц, тем самым охлаждая частицы.
Упрощенный принцип охлаждения доплеровского лазера: | 1 | Неподвижный атом видит лазер ни с красным, ни с синим смещением и не поглощает фотон. |
|---|---|
| 2 | Атом, удаляющийся от лазера, видит, что он смещен в красную область, и не поглощает фотон. |
| 3.1 | Атом, движущийся 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 является случайным, нет чистого изменения количества движения за многие циклы поглощения-излучения. |
Первым примером лазерного охлаждения, а также наиболее распространенным методом (настолько, что его до сих пор называют просто «лазерным охлаждением») является доплеровское охлаждение. Другие методы лазерного охлаждения включают в себя:
С появлением методов лазерного охлаждения теория Максвелла электромагнетизма уже привел к количественной оценке электромагнитного излучения, оказывающего силу (радиационное давление ), однако только на рубеже двадцатого века, когда исследования Лебедева (1901), Николс (1901) и Халл (1903) экспериментально продемонстрировали эту силу. После этого периода, в 1933 году, Фриш продемонстрировал давление, оказываемое на атомы светом. Начиная с начала 1970-х годов, лазеры были затем использованы для дальнейшего изучения манипуляции с атомом. Внедрение лазеров в эксперименты по манипулированию атомами послужило появлением предложений по лазерному охлаждению в середине 1970-х годов. Лазерное охлаждение было введено отдельно в 1975 году двумя разными исследовательскими группами: Hänsch и Schawlow, и Wineland и Dehmelt. Оба они описали процесс замедления скорости в атомах за счет «радиационных сил». В статье Хэнша и Шавлова описано влияние радиационного давления на любой объект, отражающий свет. Затем эта концепция была связана с охлаждением атомов в газе. Эти ранние предложения по лазерному охлаждению опирались только на «силу рассеяния», название давления излучения. В более поздних предложениях будет представлен лазерный захват, вариант охлаждения, который требует как рассеяния, так и дипольной силы.
В конце 70-х годов Ашкин описал, как радиационные силы могут использоваться как для оптического захвата атомов, так и для их одновременного охлаждения. Он подчеркнул, как этот процесс может позволить проводить длинные спектроскопические измерения без выхода атомов из ловушки, и предложил перекрытие оптических ловушек для изучения взаимодействия между различными атомами. Вскоре после письма Ашкина в 1978 году две исследовательские группы: Wineland, Drullinger and Walls и Neuhauser, Hohenstatt, Toscheck и Dehmelt усовершенствовали эту работу. В частности, Вайнленд, Друллинджер и Уоллс были озабочены совершенствованием спектроскопии. Группа писала об экспериментальной демонстрации охлаждения атомов с помощью радиационного давления. Они ссылаются на прецедент использования радиационного давления в оптических ловушках, но критикуют неэффективность предыдущих моделей из-за наличия эффекта Доплера. Стремясь уменьшить эффект, они применили альтернативный подход к охлаждению ионов магния ниже предшественника комнатной температуры. Используя электромагнитную ловушку для удержания ионов магния, они обстреляли их лазером, едва не совпадающим по фазе с резонансной частотой атомов. Исследования обеих групп послужили иллюстрацией механических свойств света. Примерно в это же время методы лазерного охлаждения позволили снизить температуру примерно до 40 кельвинов.
Уильям Филлипс испытал влияние статьи Вайнленда и попытался имитировать ее, используя нейтральные атомы вместо ионов.. В 1982 году он опубликовал первую статью, в которой описал охлаждение нейтральных атомов. Используемый им процесс теперь известен как зеемановский замедлитель и стал одним из стандартных методов замедления атомного пучка. Теперь была достигнута температура около 240 микрокельвинов. Этот порог был самым низким, по мнению исследователей, возможным. Когда в эксперименте Стивена Чу температура достигла 43 микрокельвинов, новый минимум был объяснен добавлением большего количества атомных состояний в сочетании с поляризацией лазера. Предыдущие концепции лазерного охлаждения были сочтены слишком упрощенными. Основные прорывы 70-х и 80-х годов в использовании лазерного света для охлаждения привели к нескольким улучшениям в уже существовавших технологиях и новым открытиям с температурами чуть выше абсолютного нуля. Процессы охлаждения использовались, чтобы сделать атомные часы более точными и улучшить спектроскопические измерения, и привели к наблюдению нового состояния вещества при ультрахолодных температурах. Новое состояние материи, конденсат Бозе-Эйнштейна, наблюдалось в 1995 году Эриком Корнеллом, Карлом Виманом и Вольфгангом Кеттерле.
Лазеры, необходимые для магнитооптического захвата рубидия-85: (a) и (b) показывают поглощение (красная отстройка от пунктирной линии) и цикл спонтанного излучения (c) (d) - запрещенные переходы, (e) показывает, что если охлаждающий лазер возбуждает атом до состояния F = 3, ему разрешается распадаться до «темного» нижнего сверхтонкого состояния, F = 2, что остановило бы процесс охлаждения, если бы не лазер с репампером (f). Доплеровское охлаждение, которое обычно сопровождается силой магнитного захвата, чтобы создать магнитооптическую ловушку, на сегодняшний день является наиболее распространенным метод лазерного охлаждения. Он используется для охлаждения газов с низкой плотностью до доплеровского предела охлаждения, который для рубидия -85 составляет около 150 микрокельвинов.
. При доплеровском охлаждении первоначально частота света настроен немного ниже электронного перехода в атоме. Поскольку свет расстроен на «красный» (т. Е. На более низкую частоту) перехода, атомы будут поглощать больше фотонов, если они будут двигаться к источнику света из-за Эффект Доплера. Таким образом, если направить свет с двух противоположных направлений, атомы всегда будут рассеивать больше фотонов из лазерного луча, направленного против направления их движения. В каждом случае рассеяния атом теряет импульс, равный импульсу фотона. Если атом, который сейчас находится в возбужденном состоянии, затем самопроизвольно испускает фотон, он получит тот же импульс, но в случайном направлении. Поскольку первоначальное изменение импульса было чистой потерей (противоположной направлению движения), в то время как последующее изменение было случайным (т. Е. Не чистым усилением), общий результат процесса поглощения и излучения состоит в уменьшении импульса атома, поэтому его скорость - при условии, что его начальная скорость была 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 группы атомов является мерой средней случайной внутренней кинетической энергии, это эквивалентно охлаждению атомов.
Лазерное охлаждение в основном используется для создания ультрахолодных атомов для экспериментов в квантовой физике. Эти эксперименты проводятся около абсолютного нуля, где могут наблюдаться уникальные квантовые эффекты, такие как конденсация Бозе-Эйнштейна. Лазерное охлаждение в основном использовалось для атомов, но в последнее время был достигнут прогресс в области лазерного охлаждения более сложных систем. В 2010 году команда из Йельского университета успешно охладила с помощью лазера двухатомную молекулу. В 2007 году команда Массачусетского технологического института успешно охладила с помощью лазера объект макро-масштаба (1 грамм) до 0,8 К. В 2011 году группа из Калифорнийского технологического института и Венского университета стала первой, кто охладил лазером a (10 мкм). x 1 мкм) механический объект в его основное квантовое состояние.
