Что такое лазерное охлаждение?

Лазерное охлаждение - это метод замедления атомов и, следовательно, их охлаждения с помощью лазеров. Как правило, мы рассматриваем лазеры как нагревающие элементы, и они, безусловно, делают это в макроскопических масштабах, но для отдельных атомов или небольших групп атомов их можно использовать для охлаждения. При использовании комбинации лазерного охлаждения и испарительного охлаждения были достигнуты самые холодные температуры, которые когда-либо создавались: менее половины миллиардной доли Кельвина (0,5 наноКельвина). Эти температуры достигаются с небольшим количеством диффузных газов.

Основной механизм, с помощью которого лазерное охлаждение замедляет атомы, заключается в том, что они поглощают и испускают фотоны в случайных направлениях. Пока скорость атома больше скорости отдачи фотонной эмиссии, общая скорость уменьшается. Если бы вы плыли на воздушном судне, двигаясь со значительной скоростью в одном направлении, и случайным образом сбрасывали металлические шары с судна на воздушной подушке, в конечном итоге ваша скорость замедлялась, и ваши движения были бы полностью продиктованы эффектом отдачи броска шаров. Так работает лазерное охлаждение.

Лазерное охлаждение избирательно нацеливает атомы, движущиеся в определенных направлениях и с определенными скоростями внутри газа. Настраивая свет на определенную частоту, чуть ниже резонансной частоты вещества, лазерная ловушка нацеливается только на те атомы, которые движутся к нему. Это связано с эффектом Доплера - когда атом движется в направлении источника лазера, частота света увеличивается с точки зрения этого атома. Это та же самая причина, по которой частота звука изменяется по мере того, как поезд проходит мимо стационарного наблюдателя - относительная скорость между источником и объектом манипулирует видимой частотой. Для атомов, не движущихся с этой пороговой скоростью, они прозрачны для лазера и поэтому не подвержены его влиянию.

Когда кажущаяся частота света по отношению к определенным атомам в ловушке охлаждения лазера является правильной, атом поглощает входящие фотоны, временно получает больше энергии, а затем излучает фотон. Поэтому атомы, движущиеся в определенном направлении через пороговую скорость, избирательно замедляются устройством лазерного охлаждения. Размещая лазеры в трехмерной матрице, окружающей диффузный газ, можно уменьшить скорость атома на всех трех степенях свободы, что приводит к меньшему движению атома и, следовательно, к более низкой температуре. Газ должен быть диффузным, чтобы гарантировать, что фотоны не поглощаются соседними атомами. Медленная манипуляция с частотой лазера также может быть полезной, так как может потребоваться несколько этапов охлаждения для понижения газа до желаемой температуры. Делайте это осторожно, и, возможно, вы получите тот исследовательский грант, который вы всегда хотели.