Vad är laserkylning?

Laserkylning är en metod för att bromsa atomerna och därmed kyla dem med lasrar. Vi ser vanligtvis på lasrar som att värma upp saker, och de gör det verkligen på makroskopiska skalor, men för enskilda atomer eller små grupper av atomer kan de användas för kylning. De kallaste temperaturer som någonsin har genererats, mindre än en halv miljard miljard av en Kelvin (0,5 nanoKelvin) har uppnåtts genom att använda en kombination av laserkylning och evaporativ kylning. Dessa temperaturer uppnås med små mängder diffusa gaser.

Den primära mekanismen genom vilken laserkylning saktar ner atomer är genom att få dem att absorbera och avge fotoner i slumpmässiga riktningar. Så länge atoms hastighet är större än rekylhastigheten för fotonemission reduceras den totala hastigheten. Om du svävade på ett hovercraft, flyttade en betydande hastighet i en riktning och slängde slumpmässiga metallbollar från hovercraft, så småningom skulle din hastighet sakta ner och dina rörelser skulle helt dikteras av rekyleffekten av att kasta bollarna. Det är så laserkylning fungerar.

Laserkylning riktar sig selektivt till atomer som rör sig i vissa riktningar och med vissa hastigheter inom gasen. Genom att ställa in ljuset till en specifik frekvens, precis under resonansfrekvensen för ämnet, riktar laserfällan endast de atomer som rör sig mot den. Detta beror på Doppler-effekten - när atomen går mot källlaser, ökar ljusets frekvens från den atomen. Detta är av samma anledning att ljudfrekvensen varierar när ett tåg går förbi en stationär observatör - den relativa hastigheten mellan källa och objekt manipulerar den synliga frekvensen. För atomer som inte rör sig med den tröskelhastigheten är de transparenta för lasern och påverkas därför inte av den.

När den uppenbara frekvensen för ljuset med avseende på vissa atomer i laserkylfällan är helt rätt absorberar atomen de inkommande fotonerna, blir mer energisk tillfälligt och avger sedan en foton. Så atomer som rör sig i en viss riktning över en tröskelhastighet bromsas selektivt av laserkylningsanordningen. Genom att anordna lasrarna i en tredimensionell matris och omger den diffusa gasen kan atomhastigheten i alla tre frihetsgrader dämpas, vilket leder till mindre atomrörelse och därmed lägre temperatur. Gasen måste vara diffus för att säkerställa att fotoner inte absorberas av intilliggande atomer. Att sakta manipulera laserfrekvensen kan också vara till hjälp, eftersom det kan kräva flera steg av kylning för att sänka gasen till önskad temperatur. Gör det noggrant, och kanske får du det forskningsbidrag du alltid har velat.