Co to jest chłodzenie laserowe?

Chłodzenie laserowe to metoda spowalniania atomów, a tym samym ich chłodzenia za pomocą laserów. Zazwyczaj postrzegamy lasery jako podgrzewające rzeczy, i na pewno robią to w skali makroskopowej, ale w przypadku pojedynczych atomów lub małych grup atomów można je wykorzystać do chłodzenia. Najniższe temperatury, jakie kiedykolwiek wygenerowano, mniej niż pół miliarda Kelwina (0,5 nano-Kelvina) zostały osiągnięte dzięki zastosowaniu kombinacji chłodzenia laserowego i chłodzenia wyparnego. Temperatury te są osiągane przy niewielkich ilościach gazów rozproszonych.

Podstawowym mechanizmem, dzięki któremu chłodzenie laserowe spowalnia atomy, jest to, że powodują one absorpcję i emisję fotonów w losowych kierunkach. Tak długo, jak prędkość atomu jest większa niż prędkość odrzutu emisji fotonu, prędkość ogólna jest zmniejszana. Jeśli unosiłeś się na poduszkowcu, poruszałeś znaczną prędkością w jednym kierunku i losowo zrzucałeś metalowe poduszkowce z poduszkowca, ostatecznie twoja prędkość spowolniłaby, a twoje ruchy byłyby całkowicie podyktowane efektem odrzutu rzucania kulami. Tak działa chłodzenie laserowe.

Chłodzenie laserowe selektywnie celuje w atomy poruszające się w określonych kierunkach i przy określonych prędkościach w gazie. Poprzez dostrojenie światła do określonej częstotliwości, tuż poniżej częstotliwości rezonansowej substancji, pułapka laserowa celuje tylko w atomy poruszające się w jej kierunku. Wynika to z efektu Dopplera - gdy atom porusza się w kierunku lasera źródłowego, częstotliwość światła rośnie z punktu widzenia tego atomu. Jest to ten sam powód, dla którego częstotliwość dźwięku zmienia się, gdy pociąg przejeżdża obok stacjonarnego obserwatora - prędkość względna między źródłem a obiektem manipuluje częstotliwością pozorną. W przypadku atomów, które nie poruszają się z tą prędkością progową, są one przezroczyste dla lasera, a zatem nie mają na nie wpływu.

Kiedy pozorna częstotliwość światła w odniesieniu do niektórych atomów w pułapce chłodzenia laserowego jest właściwa, atom absorbuje nadchodzące fotony, chwilowo staje się bardziej energetyczny, a następnie emituje foton. Tak więc atomy poruszające się w określonym kierunku z prędkością progową są selektywnie spowalniane przez laserowe urządzenie chłodzące. Ustawiając lasery w trójwymiarowej matrycy otaczającej rozproszony gaz, prędkość atomową we wszystkich trzech stopniach swobody można tłumić, co prowadzi do mniejszego ruchu atomowego, a tym samym do niższej temperatury. Gaz musi być rozproszony, aby zapewnić, że fotony nie zostaną ponownie wchłonięte przez sąsiadujące atomy. Pomocne może być również powolne zmienianie częstotliwości lasera, ponieważ może to wymagać kilku etapów chłodzenia w celu obniżenia gazu do pożądanej temperatury. Zrób to ostrożnie, a może dostaniesz ten grant badawczy, o którym zawsze marzyłaś.