Was ist Laserkühlung?
Laserkühlung ist eine Methode, um Atome mithilfe von Lasern zu verlangsamen und damit zu kühlen. Typischerweise betrachten wir Laser als Aufheizen, und zwar auf makroskopischen Skalen, aber für einzelne Atome oder kleine Gruppen von Atomen können sie zum Kühlen verwendet werden. Die kältesten jemals erzeugten Temperaturen, weniger als ein halbes Milliardstel Kelvin (0,5 nanoKelvin), wurden durch die Kombination von Laserkühlung und Verdunstungskühlung erreicht. Diese Temperaturen werden mit geringen Mengen diffuser Gase erreicht.
Der primäre Mechanismus, durch den die Laserkühlung Atome verlangsamt, besteht darin, dass sie Photonen in zufälligen Richtungen absorbieren und emittieren. Solange die Geschwindigkeit des Atoms größer als die Rückstoßgeschwindigkeit der Photonenemission ist, wird die Gesamtgeschwindigkeit verringert. Wenn Sie auf einem Luftkissenfahrzeug schwebten, eine signifikante Geschwindigkeit in eine Richtung bewegten und zufällig Metallkugeln vom Luftkissenfahrzeug warfen, verlangsamte sich Ihre Geschwindigkeit und Ihre Bewegungen würden vollständig durch den Rückstoßeffekt des Werfens der Kugeln bestimmt. So funktioniert Laserkühlung.
Die Laserkühlung zielt selektiv auf Atome ab, die sich in bestimmte Richtungen und mit bestimmten Geschwindigkeiten innerhalb des Gases bewegen. Indem das Licht auf eine bestimmte Frequenz eingestellt wird, die knapp unterhalb der Resonanzfrequenz der Substanz liegt, zielt die Laserfalle nur auf die Atome ab, die sich darauf zubewegen. Dies ist auf den Doppler-Effekt zurückzuführen. Wenn sich das Atom in Richtung des Quelllasers bewegt, nimmt die Frequenz des Lichts vom Standpunkt dieses Atoms aus zu. Dies ist der gleiche Grund, warum sich die Schallfrequenz ändert, wenn ein Zug an einem stationären Beobachter vorbeifährt - die Relativgeschwindigkeit zwischen Quelle und Objekt beeinflusst die scheinbare Frequenz. Atome, die sich nicht mit dieser Schwellengeschwindigkeit bewegen, sind für den Laser transparent und werden daher nicht von ihm beeinflusst.
Wenn die scheinbare Frequenz des Lichts in Bezug auf bestimmte Atome in der Laserkühlfalle genau richtig ist, absorbiert das Atom die einfallenden Photonen, wird vorübergehend energetischer und sendet dann ein Photon aus. So werden Atome, die sich über eine Schwellgeschwindigkeit in eine bestimmte Richtung bewegen, durch die Laserkühleinrichtung gezielt abgebremst. Durch die Anordnung der Laser in einer dreidimensionalen Matrix, die das diffuse Gas umgibt, kann die Atomgeschwindigkeit in allen drei Freiheitsgraden gedämpft werden, was zu einer geringeren Bewegung der Atome und damit zu einer niedrigeren Temperatur führt. Das Gas muss diffus sein, um sicherzustellen, dass Photonen nicht von benachbarten Atomen reabsorbiert werden. Das langsame Manipulieren der Frequenz des Lasers kann ebenfalls hilfreich sein, da möglicherweise mehrere Kühlstufen erforderlich sind, um das Gas auf die gewünschte Temperatur abzusenken. Tun Sie es vorsichtig, und vielleicht erhalten Sie das Forschungsstipendium, das Sie sich immer gewünscht haben.