Лазерное охлаждение включает в себя ряд методов, при которых атомы , молекулы и небольшие механические системы охлаждаются лазерным светом. Направленная энергия лазеров часто связана с нагревом материалов, например, лазерной резкой , поэтому может показаться нелогичным, что лазерное охлаждение часто приводит к тому, что температура образца приближается к абсолютному нулю . Лазерное охлаждение основано на изменении импульса, когда объект, например атом, поглощает и повторно излучает фотон ( частицу света). Например, если лазерный свет освещает теплое облако атомов со всех сторон и частота лазера настроена ниже атомного резонанса, атомы будут охлаждены. Этот распространенный тип лазерного охлаждения основан на эффекте Доплера , при котором отдельные атомы преимущественно поглощают лазерный свет с направления, противоположного движению атома. Поглощенный свет переизлучается атомом в случайном направлении. После многократного испускания и поглощения света общий эффект на облако атомов заключается в том, что они будут расширяться медленнее. Более медленное расширение отражает уменьшение распределения атомов по скоростям, что соответствует более низкой температуре и, следовательно, атомы охлаждаются. Для ансамбля частиц их термодинамическая температура пропорциональна дисперсии их скорости. Более однородные скорости между частицами соответствуют более низкой температуре. Методы лазерного охлаждения сочетают атомную спектроскопию с вышеупомянутым механическим эффектом света для сжатия распределения скоростей ансамбля частиц, тем самым охлаждая частицы.
Нобелевская премия по физике 1997 года была присуждена Клоду Коэн-Таннуджи , Стивену Чу и Уильяму Дэниелу Филлипсу «за разработку методов охлаждения и улавливания атомов с помощью лазерного света». [1]
Давление излучения – это сила, с которой электромагнитное излучение воздействует на вещество. В 1873 году Максвелл опубликовал свой трактат по электромагнетизму , в котором предсказал радиационное давление. [2] Сила была впервые экспериментально продемонстрирована Лебедевым и доложена на конференции в Париже в 1900 году, [3] и позже опубликована более подробно в 1901 году. [4] Следуя измерениям Лебедева, Николс и Халл также продемонстрировали силу радиационное давление в 1901 году, [5] с уточненными измерениями, сообщенными в 1903 году. [6] [7]
В 1933 году Отто Фриш отклонил атомный пучок атомов натрия светом. [8] Это была первая реализация давления излучения, действующего на резонансный поглотитель.
Внедрение лазеров в экспериментах по манипуляции атомами было предшественником предложений по лазерному охлаждению в середине 1970-х годов. Лазерное охлаждение было предложено отдельно в 1975 году двумя разными исследовательскими группами: Хэншем и Шавловом [9] и Вайнландом и Демельтом . [10] Оба предложения описывают простейший процесс лазерного охлаждения, известный как доплеровское охлаждение , при котором лазерный свет ниже резонансной частоты атома многократно поглощается и распределение скоростей атомов уменьшается. [11]
В 1977 году Эшкин представил статью, в которой описывается, как можно использовать доплеровское охлаждение для обеспечения необходимого демпфирования для загрузки атомов в оптическую ловушку. [12] В этой работе он подчеркнул, как этот процесс может позволить проводить длительные спектроскопические измерения без выхода атомов из ловушки, и предложил перекрытие оптических ловушек для изучения взаимодействий между различными атомами.
Следуя предложениям по лазерному охлаждению, в 1978 году две исследовательские группы — Вайнланд, Друллингер и Уоллс из НИСТ, а также Нойхаузер, Хоэнштатт, Тошек и Демельт из Вашингтонского университета — преуспели в лазерном охлаждении атомов. Группа NIST хотела уменьшить влияние доплеровского уширения на спектроскопию. Они охладили ионы магния в ловушке Пеннинга до температуры <40 Кельвинов. Группа Вашингтона охладила ионы бария. Исследования обеих групп послужили иллюстрацией механических свойств света. [11] Примерно в это же время методы лазерного охлаждения позволили снизить температуру примерно до 40 Кельвинов .
Под влиянием работ Вайнленда по лазерному охлаждению ионов Уильям Филлипс применил те же принципы к лазерному охлаждению нейтральных атомов. В 1982 году он опубликовал первую статью, в которой нейтральные атомы охлаждались лазером. [13] Используемый процесс теперь известен как замедление Зеемана и является стандартным методом замедления атомного пучка.
Предел доплеровского охлаждения для электрических дипольных переходов обычно составляет сотни микрокельвинов. В 1980-е годы этот предел считался самой низкой достижимой температурой. Тогда было неожиданностью, когда атомы натрия были охлаждены до 43 микрокельвинов, тогда как их предел доплеровского охлаждения составляет 240 микрокельвинов. [14] Новый минимум был объяснен добавлением большего количества атомных состояний в сочетании с лазерной поляризацией. Предыдущие концепции лазерного охлаждения были признаны слишком упрощенными. [15] Крупные прорывы в области лазерного охлаждения в 70-х и 80-х годах привели к нескольким улучшениям существовавших ранее технологий и новым открытиям с температурами чуть выше абсолютного нуля . Процессы охлаждения использовались для повышения точности атомных часов и улучшения спектроскопических измерений, а также привели к наблюдению нового состояния вещества при сверххолодных температурах. [16] [15] Новое состояние материи, конденсат Бозе-Эйнштейна , наблюдалось в 1995 году Эриком Корнеллом , Карлом Виманом и Вольфгангом Кеттерле . [17]
Лазерное охлаждение в основном использовалось для создания ультрахолодных атомов . Например, эксперименты по квантовой физике необходимо проводить вблизи абсолютного нуля , где можно наблюдать уникальные квантовые эффекты, такие как конденсация Бозе-Эйнштейна . Лазерное охлаждение также является основным инструментом в экспериментах с оптическими часами .
В 2010 году команда Йельского университета успешно охладила двухатомную молекулу лазером . [18] В 2016 году группа из MPQ успешно охладила формальдегид до 420 мкК с помощью оптоэлектрического сизифова охлаждения. [19] В 2022 году группа из Гарварда успешно охладила лазером и поймала CaOH до температуры 720(40) мкК в магнитооптической ловушке . [20]
В 2007 году команда Массачусетского технологического института успешно охладила лазером объект макромасштаба (1 грамм) до температуры 0,8 К. [21] В 2011 году команда из Калифорнийского технологического института и Венского университета стала первой, кто охладил лазером объект (10 мкм x 1 мкм) механического объекта в его основное квантовое состояние. [22]
Первым примером лазерного охлаждения, а также до сих пор наиболее распространенным методом (настолько, что его до сих пор часто называют просто «лазерным охлаждением») является доплеровское охлаждение .
Доплеровское охлаждение, которое обычно сопровождается силой магнитного захвата, образующей магнитооптическую ловушку , на сегодняшний день является наиболее распространенным методом лазерного охлаждения. Он используется для охлаждения газов низкой плотности до предела доплеровского охлаждения , который для рубидия -85 составляет около 150 микрокельвинов.
При доплеровском охлаждении первоначально частота света настраивается 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 . Таким образом, если подать свет с двух противоположных направлений, атомы всегда будут рассеивать больше фотонов от лазерного луча, направленного в противоположном направлении их движения. При каждом акте рассеяния атом теряет импульс , равный импульсу фотона. Если атом, находящийся сейчас в возбужденном состоянии, затем самопроизвольно испустит фотон, он получит такой же импульс, но в случайном направлении. Поскольку первоначальное изменение импульса представляет собой чистую потерю (противоположную направлению движения), а последующее изменение является случайным, вероятным результатом процесса поглощения и испускания является уменьшение импульса атома и, следовательно, его скорости - при условии его первоначального изменения. скорость была больше скорости отдачи от рассеяния одиночного фотона. Если поглощение и излучение повторяются много раз, средняя скорость, а следовательно, и кинетическая энергия атома уменьшатся. Поскольку температура группы атомов является мерой средней случайной внутренней кинетической энергии, это эквивалентно охлаждению атомов.
Идея антистоксового охлаждения была впервые выдвинута Прингшеймом в 1929 году. [23] В то время как доплеровское охлаждение снижает поступательную температуру образца, антистоксово охлаждение уменьшает колебательное или фононное возбуждение среды. Это достигается путем накачки вещества лазерным лучом из низколежащего энергетического состояния в более высокое с последующей эмиссией в еще более низколежащее энергетическое состояние. Принципиальным условием эффективного охлаждения является то, чтобы скорость антистоксовой эмиссии в конечное состояние была значительно больше, чем в другие состояния, а также скорость безызлучательной релаксации. Поскольку колебательная или фононная энергия может быть на много порядков больше, чем энергия, связанная с доплеровским уширением, эффективность отвода тепла на один лазерный фотон, затраченный на антистоксовое охлаждение, может быть соответственно выше, чем при доплеровском охлаждении. Эффект антистоксового охлаждения был впервые продемонстрирован Джеу и Уитни на газе CO 2 . [24] Первое антистоксово охлаждение в твердом теле было продемонстрировано Эпштейном и др. в 1980 году в образце фторидного стекла, легированного иттербием. [25]
Потенциальные практические применения антистоксового охлаждения твердых тел включают радиационно-сбалансированные твердотельные лазеры и оптическое охлаждение без вибраций. [26] [27]
Другие методы лазерного охлаждения включают:
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )