Wat is laserkoeling?

Laserkoeling is een methode om atomen te vertragen en ze dus te koelen met lasers. Meestal zien we lasers als dingen opwarmen, en ze doen dat zeker op macroscopische schalen, maar voor individuele atomen of kleine groepen atomen kunnen ze worden gebruikt voor koeling. De koudste temperaturen ooit gegenereerd, minder dan een half miljardste van een Kelvin (0,5 nano Kelvin) zijn bereikt door een combinatie van laserkoeling en verdampingskoeling. Deze temperaturen worden bereikt met kleine hoeveelheden diffuse gassen.

Het primaire mechanisme waarmee laserkoeling atomen vertraagt, is door ervoor te zorgen dat deze fotonen in willekeurige richtingen absorberen en uitzenden. Zolang de snelheid van het atoom groter is dan de terugslagsnelheid van fotonenemissie, wordt de totale snelheid verlaagd. Als je op een hovercraft zweeft, een aanzienlijke snelheid in één richting beweegt en willekeurig metalen ballen van de hovercraft gooit, zal je snelheid uiteindelijk vertragen en worden je bewegingen volledig bepaald door het terugslageffect van het gooien van de ballen. Dat is hoe laserkoeling werkt.

Laserkoeling richt zich selectief op atomen die in bepaalde richtingen en met bepaalde snelheden binnen het gas bewegen. Door het licht af te stemmen op een specifieke frequentie, net onder de resonantiefrequentie voor de stof, richt de laserval zich alleen op die atomen die ernaartoe bewegen. Dit komt door het Doppler-effect - wanneer het atoom naar de bronlaser beweegt, neemt de frequentie van het licht toe vanuit het gezichtspunt van dat atoom. Dit is dezelfde reden dat de geluidsfrequentie varieert als een trein voorbij een stationaire waarnemer snelt - de relatieve snelheid tussen bron en object manipuleert de schijnbare frequentie. Voor atomen die niet met die drempelsnelheid bewegen, zijn ze transparant voor de laser en daardoor niet beïnvloed.

Wanneer de schijnbare frequentie van het licht ten opzichte van bepaalde atomen in de laserkoelval precies goed is, absorbeert het atoom de binnenkomende fotonen, wordt tijdelijk energieker en zendt vervolgens een foton uit. Dus atomen die in een bepaalde richting over een drempelsnelheid bewegen, worden selectief vertraagd door het laserkoelapparaat. Door de lasers in een driedimensionale matrix te plaatsen, die het diffuse gas omgeeft, kan de atomaire snelheid in alle drie vrijheidsgraden worden gedempt, wat leidt tot minder atomaire beweging en dus lagere temperatuur. Het gas moet diffuus zijn om ervoor te zorgen dat fotonen niet worden geresorbeerd door aangrenzende atomen. Langzaam manipuleren van de frequentie van de laser kan ook nuttig zijn, omdat het verschillende fasen van koeling kan vereisen om het gas op de gewenste temperatuur te brengen. Doe het voorzichtig en misschien krijg je die onderzoekssubsidie ​​die je altijd al wilde hebben.