Hva er laserkjøling?

Laserkjøling er en metode for å bremse ned atomer, og dermed avkjøle dem ved hjelp av lasere. Vanligvis ser vi på lasere som oppvarming av ting, og de gjør det absolutt på makroskopiske skalaer, men for individuelle atomer eller små grupper av atomer kan de brukes til avkjøling. De kaldeste temperaturene som noen gang er generert, mindre enn en halv milliarddel av en Kelvin (0,5 nanoKelvin) er oppnådd ved å bruke en kombinasjon av laserkjøling og fordampningskjøling. Disse temperaturene oppnås med små mengder diffuse gasser.

Den primære mekanismen som laseravkjøling bremser ned atomer er ved å få dem til å absorbere og avgi fotoner i tilfeldige retninger. Så lenge hastigheten til atomet er større enn rekylhastigheten for fotonutslipp, reduseres den totale hastigheten. Hvis du svevde på et hovercraft, beveget en betydelig hastighet i en retning og kastet metallkuler tilfeldig av svevefartøyet, ville hastigheten din til slutt gå tregere og bevegelsene dine ble helt diktert av rekyleffekten ved å kaste ballene. Det er slik laserkjøling fungerer.

Laserkjøling er selektivt rettet mot atomer som beveger seg i bestemte retninger og med visse hastigheter i gassen. Ved å stille inn lyset til en spesifikk frekvens, rett under resonansfrekvensen for stoffet, er laserfellen bare rettet mot atomene som beveger seg mot den. Dette skyldes Doppler-effekten - når atomet beveger seg mot kildelaseren, øker lysets frekvens fra synspunktet til atomet. Dette er den samme grunnen til at lydfrekvensen varierer når et tog går forbi en stasjonær observatør - den relative hastigheten mellom kilde og objekt manipulerer den tilsynelatende frekvensen. For atomer som ikke beveger seg med den terskelhastigheten, er de gjennomsiktige for laseren og påvirkes derfor ikke av den.

Når den tilsynelatende lysfrekvensen i forhold til visse atomer i laserkjølefellen er helt riktig, absorberer atomet de innkommende fotonene, blir midlertidig mer energisk og sender deretter ut et foton. Så atomer som beveger seg i en bestemt retning over en terskelhastighet blir selektivt bremset av laserkjøleinnretningen. Ved å plassere laserne i en tredimensjonal matrise, rundt den diffuse gassen, kan atomhastigheten i alle tre frihetsgrader dempes, noe som fører til mindre atombevegelse og derfor lavere temperatur. Gassen må være diffus for å sikre at fotoner ikke reabsorberes av tilstøtende atomer. Det kan også være nyttig å manipulere laserfrekvensen langsomt, da det kan kreve flere avkjølingsstadier for å senke gassen til ønsket temperatur. Gjør det nøye, og kanskje får du det forskningsstipendet du alltid har ønsket deg.