Hvad er laserkøling?

Laserkøling er en metode til at bremse atomer og dermed afkøle dem ved hjælp af lasere. Vi ser typisk på lasere som opvarmning af ting, og det gør de bestemt på makroskopiske skalaer, men for individuelle atomer eller små grupper af atomer kan de bruges til afkøling. De koldeste temperaturer, der nogensinde er genereret, mindre end en halv milliardedel af en Kelvin (0,5 nanoKelvin) er opnået ved at bruge en kombination af laserkøling og fordampningskøling. Disse temperaturer opnås med små mængder diffuse gasser.

Den primære mekanisme, hvormed laserafkøling bremser atomer, er ved at få dem til at absorbere og udsende fotoner i tilfældige retninger. Så længe atomets hastighed er større end tilbagetrækningshastigheden for fotonemission, reduceres den samlede hastighed. Hvis du flydede på et hovercraft, bevægede en betydelig hastighed i en retning og tilfældigt kastede metalliske kugler væk fra hovercraft, ville din hastighed til sidst blive langsommere, og dine bevægelser ville helt dikteres af rekyleffekten ved at kaste kuglerne. Sådan fungerer laserkøling.

Laserkøling er selektivt rettet mod atomer, der bevæger sig i bestemte retninger og med visse hastigheder inden for gassen. Ved at indstille lyset til en bestemt frekvens, lige under resonansfrekvensen for stoffet, er laserfælden kun rettet mod de atomer, der bevæger sig mod det. Dette skyldes Doppler-effekten - når atomet bevæger sig mod kildelaseren, øges lysets hyppighed fra atomets synspunkt. Dette er den samme grund, at lydfrekvensen varierer, når et tog kører forbi en stationær observatør - den relative hastighed mellem kilde og objekt manipulerer den tilsyneladende frekvens. For atomer, der ikke bevæger sig med denne tærskelhastighed, er de gennemsigtige for laseren og påvirkes derfor ikke af den.

Når lysets tilsyneladende hyppighed med hensyn til visse atomer i laserkølefælden er helt rigtigt, absorberer atomet de indkommende fotoner, bliver midlertidigt mere energisk og udsender derefter en foton. Så atomer, der bevæger sig i en bestemt retning over en tærskelhastighed, bremses selektivt af laserkøleindretningen. Ved at placere laserne i en 3-dimensionel matrix, der omgiver den diffuse gas, kan atomhastigheden i alle tre frihedsgrader dæmpes, hvilket fører til mindre atombevægelse og derfor lavere temperatur. Gassen skal være diffus for at sikre, at fotoner ikke reabsorberes af tilstødende atomer. Det kan også være nyttigt at manipulere laserfrekvensen langsomt, da det muligvis kræver adskillige stadier af afkøling for at sænke gassen til den ønskede temperatur. Gør det omhyggeligt, og måske får du den forskningsstipend, du altid har ønsket.