Доплеровское охлаждение — это механизм, который можно использовать для улавливания и замедления движения атомов для охлаждения вещества . Этот термин иногда используется как синоним лазерного охлаждения , хотя лазерное охлаждение включает и другие методы.
Доплеровское охлаждение было одновременно предложено двумя группами в 1975 году: первой были Дэвид Дж. Вайнланд и Ханс Георг Демельт [1] , а второй — Теодор В. Хэнш и Артур Леонард Шавлов . [2] Впервые это было продемонстрировано Вайнландом, Друллингером и Уоллсом в 1978 году [3] , а вскоре после этого — Нойхаузером, Хоэнштаттом, Тошеком и Демельтом. [4] Одна концептуально простая форма доплеровского охлаждения называется оптической патокой , поскольку диссипативная оптическая сила напоминает вязкое сопротивление тела, движущегося через патоку. Стивен Чу , Клод Коэн-Таннуджи и Уильям Д. Филлипс были удостоены Нобелевской премии по физике 1997 года за работы в области лазерного охлаждения и улавливания атомов. [5]
Доплеровское охлаждение включает свет с частотой, настроенной немного ниже электронного перехода в атоме . Поскольку свет настроен на «красный» (т.е. на более низкую частоту) перехода, атомы будут поглощать больше фотонов , если они движутся к источнику света, из-за эффекта Доплера .
Рассмотрим простейший случай одномерного движения по оси x . Пусть фотон движется в направлении + x , а атом – в направлении − x . В каждом акте поглощения атом теряет импульс , равный импульсу фотона. Атом, находящийся теперь в возбужденном состоянии, спонтанно, но случайным образом излучает фотон вдоль + x или − x . Импульс возвращается атому. Если фотон был испущен вдоль + x , то чистого изменения нет; однако, если фотон был испущен вдоль − x , то атом движется медленнее либо по − x , либо по + x .
Конечным результатом процесса поглощения и излучения является уменьшение скорости атома при условии, что его начальная скорость больше, чем скорость отдачи от рассеяния одного фотона. Если поглощение и излучение повторяются много раз, средняя скорость и, следовательно, кинетическая энергия атома уменьшатся. Поскольку температура ансамбля атомов является мерой случайной внутренней кинетической энергии, это эквивалентно охлаждению атомов.
Предел доплеровского охлаждения — это минимальная температура, достижимая при доплеровском охлаждении.
Подавляющее большинство фотонов, приближающихся к конкретному атому, почти [6] совершенно не подвержены влиянию этого атома. Атом почти полностью прозрачен для большинства частот (цветов) фотонов.
Несколько фотонов «резонируют » с атомом в нескольких очень узких диапазонах частот (один цвет, а не смесь, как белый свет ). Когда один из этих фотонов приближается к атому, атом обычно поглощает этот фотон ( спектр поглощения ) на короткий период времени, а затем испускает идентичный фотон ( спектр излучения ) в каком-то случайном, непредсказуемом направлении. (Существуют и другие виды взаимодействий между атомами и фотонами, но они не имеют отношения к этой статье.)
Популярная идея о том, что лазеры увеличивают тепловую энергию материи, не применима при исследовании отдельных атомов. Если данный атом практически неподвижен («холодный» атом) и частотой сфокусированного на нем лазера можно управлять, то большинство частот не влияют на атом — на этих частотах он невидим. Есть только несколько точек электромагнитной частоты, которые оказывают какое-либо влияние на этот атом. На этих частотах атом может поглотить фотон лазера, перейдя в возбужденное электронное состояние, и уловить импульс этого фотона. Поскольку теперь атом обладает импульсом фотона, атом должен начать дрейфовать в направлении движения фотона. Через некоторое время атом спонтанно испустит фотон в случайном направлении, релаксируя в более низкое электронное состояние. Если этот фотон испускается в направлении исходного фотона, атом отдаст свой импульс фотону и снова станет неподвижным. Если фотон испускается в противоположном направлении, атому придется передать импульс в этом противоположном направлении, что означает, что атом наберет еще больший импульс в направлении исходного фотона (чтобы сохранить импульс), с удвоенной начальной скоростью. . Но обычно фотон уносится в другом направлении, давая атому хотя бы некоторый боковой толчок.
Другой способ изменения частот — изменение положения лазера, например, с помощью монохроматического (одноцветного) лазера, имеющего частоту чуть ниже одной из «резонансных» частот этого атома (при которой частота лазер не будет напрямую влиять на состояние атома). Если бы лазер расположили так, чтобы он двигался к наблюдаемым атомам, то эффект Доплера увеличил бы его частоту. При одной конкретной скорости частота будет точно подходящей для того, чтобы указанные атомы начали поглощать фотоны.
Нечто очень похожее происходит и в устройствах лазерного охлаждения, за исключением того, что такие устройства начинаются с теплого облака атомов, движущихся в различных направлениях с переменной скоростью. Начиная с частоты лазера, значительно ниже резонансной частоты, фотоны любого лазера проходят сквозь большинство атомов. Однако атомы, быстро движущиеся к определенному лазеру, ловят фотоны этого лазера, замедляя движение этих атомов, пока они снова не станут прозрачными. (Атомы, быстро удаляющиеся от этого лазера, прозрачны для фотонов этого лазера, но они быстро движутся к лазеру прямо напротив него). Использование определенной скорости для индукции поглощения также наблюдается в мессбауэровской спектроскопии .
На графике скоростей атомов (атомам, быстро движущимся вправо, соответствуют стационарные точки далеко вправо, атомам, быстро движущимся влево, соответствуют стационарные точки далеко влево), на левом краю имеется узкая полоса, соответствующая скорость, с которой эти атомы начинают поглощать фотоны левого лазера. Атомы этой полосы — единственные, которые взаимодействуют с левым лазером. Когда фотон левого лазера врезается в один из этих атомов, он внезапно замедляется на величину, соответствующую импульсу этого фотона (точка будет перерисована на некоторое фиксированное «квантовое» расстояние дальше вправо). Если атом испускает фотон прямо вправо, то точка перерисовывается на то же расстояние влево, возвращая ее обратно в узкую полосу взаимодействия. Но обычно атом испускает фотон в каком-то другом случайном направлении, и точка перерисовывает это квантовое расстояние в противоположном направлении.
Такое устройство будет состоять из множества лазеров, соответствующих множеству граничных линий, полностью окружающих это облако точек.
По мере увеличения частоты лазера граница сжимается, сдвигая все точки на этом графике к нулевой скорости, данному определению «холода».
Доплеровская температура — это минимальная температура, достижимая при доплеровском охлаждении.
Когда фотон поглощается атомом, распространяющимся навстречу источнику света, его скорость уменьшается из-за сохранения импульса . Когда поглощенный фотон спонтанно испускается возбужденным атомом , атом получает импульс в случайном направлении. Спонтанные выбросы изотропны , и поэтому эти импульсы в среднем равны нулю для средней скорости. С другой стороны, среднеквадратичная скорость в случайном процессе не равна нулю, и, таким образом, к атому передается тепло. [7] В равновесии скорости нагрева и охлаждения равны, что устанавливает предел на величину, на которую можно охладить атом. Поскольку переходы, используемые для доплеровского охлаждения, имеют широкую естественную ширину линии (измеряется в радианах в секунду ), это устанавливает нижний предел температуры атомов после охлаждения равным [8]
где – постоянная Больцмана , – приведенная постоянная Планка . Обычно это намного выше температуры отдачи , которая представляет собой температуру, связанную с импульсом, полученным в результате спонтанного испускания фотона.
Доплеровский предел был проверен на метастабильном гелии. [9]
Температуры значительно ниже доплеровского предела были достигнуты с помощью различных методов лазерного охлаждения, включая сизифово охлаждение , испарительное охлаждение и охлаждение с разрешенной боковой полосой . Теория доплеровского охлаждения предполагает атом с простой двухуровневой структурой, тогда как большинство атомов, охлаждаемых лазером, имеют сложную сверхтонкую структуру. Такие механизмы, как сизифово охлаждение из-за множественных основных состояний, приводят к температурам ниже доплеровского предела.
Концентрация должна быть минимальной, чтобы предотвратить поглощение фотонов газом в виде тепла. Это поглощение происходит, когда два атома сталкиваются друг с другом, когда у одного из них есть возбужденный электрон. Тогда существует вероятность того, что возбужденный электрон вернется в основное состояние, а его дополнительная энергия высвободится в виде дополнительной кинетической энергии сталкивающимся атомам, что приведет к их нагреванию. Это препятствует процессу охлаждения и, следовательно, ограничивает максимальную концентрацию газа, который можно охладить с помощью этого метода.
Только некоторые атомы и ионы имеют оптические переходы, поддающиеся лазерному охлаждению, поскольку чрезвычайно сложно генерировать необходимое количество лазерной мощности на длинах волн, намного меньших 300 нм. Более того, чем более сверхтонкую структуру имеет атом, тем больше у него способов испустить фотон из верхнего состояния и не вернуться в исходное состояние, переводя его в темное состояние и выводя из процесса охлаждения. Можно использовать другие лазеры для оптической перекачки этих атомов обратно в возбужденное состояние и повторить попытку, но чем сложнее сверхтонкая структура, тем больше лазеров (узкополосных, с синхронизацией по частоте) требуется. Поскольку лазеры с синхронизацией частоты сложны и дороги, атомы, которым требуется более одного дополнительного лазера с перекачкой, редко охлаждаются; например, обычная рубидиевая магнитооптическая ловушка требует одного лазера с перенакачкой. Это также причина того, почему молекулы, как правило, трудно охлаждать лазером: помимо сверхтонкой структуры, молекулы также имеют ровибронные связи и поэтому также могут распадаться на возбужденные вращательные или колебательные состояния. Однако лазерное охлаждение молекул было продемонстрировано сначала на молекулах SrF [10] , а затем и на других двухатомных соединениях, таких как CaF [11] [12] и YO. [13]
Встревораспространяющиеся наборы лазерных лучей во всех трех декартовых измерениях могут использоваться для охлаждения трех степеней свободы атома. Обычные конфигурации лазерного охлаждения включают оптическую патоку, магнитооптическую ловушку и зеемановскую медленную систему .
Атомные ионы, попавшие в ионную ловушку , можно охладить одним лазерным лучом, если этот луч имеет составляющую по всем трем степеням свободы движения. Это контрастирует с шестью лучами, необходимыми для захвата нейтральных атомов. Оригинальные эксперименты по лазерному охлаждению были проведены на ионах в ионных ловушках. (Теоретически нейтральные атомы можно было бы охладить одним пучком, если бы их можно было поймать в глубокую ловушку, но на практике нейтральные ловушки намного мельче, чем ионные ловушки, и одного события отдачи может быть достаточно, чтобы выбросить нейтральный атом из ловушка.)
Одним из применений доплеровского охлаждения является метод оптической патоки . Сам этот процесс является частью магнитооптической ловушки, но его можно использовать независимо.
Доплеровское охлаждение также используется в спектроскопии и метрологии, где охлаждение позволяет получить более узкие спектроскопические характеристики. Например, все лучшие технологии атомных часов в какой-то момент включают доплеровское охлаждение.
