Qu'est-ce que le refroidissement au laser?

Le refroidissement par laser est un moyen de ralentir les atomes, et donc de les refroidir, au moyen de lasers. Généralement, nous considérons les lasers comme un élément chauffant, comme à l’échelle macroscopique, mais ils peuvent être utilisés pour le refroidissement d’atomes individuels ou de petits groupes d’atomes. Les températures les plus froides jamais générées, soit moins d'un demi-milliard de Kelvin (0,5 nanoKelvins), ont été obtenues en combinant un refroidissement par laser et un refroidissement par évaporation. Ces températures sont atteintes avec des quantités infimes de gaz diffus.

Le mécanisme principal par lequel le refroidissement par laser ralentit les atomes est de les amener à absorber et à émettre des photons dans des directions aléatoires. Tant que la vitesse de l'atome est supérieure à la vitesse de recul de l'émission de photons, la vitesse globale est réduite. Si vous flottiez sur un aéroglisseur, que vous aviez une vitesse significative dans une direction et que vous jetiez des balles métalliques de manière aléatoire, votre vitesse ralentirait et vos mouvements seraient entièrement dictés par l'effet de recul du lancement des balles. C'est ainsi que fonctionne le refroidissement par laser.

Le refroidissement laser cible de manière sélective les atomes se déplaçant dans certaines directions et à certaines vitesses dans le gaz. En réglant la lumière sur une fréquence spécifique, juste en dessous de la fréquence de résonance de la substance, le piège laser cible uniquement les atomes qui se dirigent vers elle. Cela est dû à l’effet Doppler - lorsque l’atome se déplace vers le laser source, la fréquence de la lumière augmente du point de vue de cet atome. C'est la même raison pour laquelle la fréquence du son varie lorsqu'un train passe devant un observateur immobile - la vitesse relative entre la source et l'objet manipule la fréquence apparente. Pour les atomes ne se déplaçant pas à cette vitesse seuil, ils sont transparents pour le laser et ne sont donc pas affectés par celui-ci.

Lorsque la fréquence apparente de la lumière par rapport à certains atomes dans le piège de refroidissement par laser est juste, l’atome absorbe les photons entrants, devient temporairement plus énergétique, puis émet un photon. Ainsi, les atomes se déplaçant dans une certaine direction au-dessus d'une vitesse limite sont ralentis sélectivement par le dispositif de refroidissement au laser. En disposant les lasers dans une matrice tridimensionnelle entourant le gaz diffus, la vitesse atomique dans les trois degrés de liberté peut être atténuée, ce qui entraîne moins de mouvement atomique et, par conséquent, une température plus basse. Le gaz doit être diffus pour que les photons ne soient pas réabsorbés par des atomes adjacents. Il peut également être utile de manipuler lentement la fréquence du laser, car plusieurs étapes de refroidissement peuvent être nécessaires pour que le gaz atteigne la température désirée. Faites-le soigneusement et vous obtiendrez peut-être la subvention de recherche dont vous avez toujours rêvé.