Доплеровское охлаждение
Доплеровское охлаждение — это механизм, который можно использовать для захвата 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 из которых были Дэвид Дж. Вайнленд и Ханс Георг Демельт [1] , а второй - Теодор В. Хенш и Артур Леонард Шавлов . [2] Впервые он был продемонстрирован Вайнлендом, Друллингером и Уоллсом в 1978 г. [3] и вскоре после этого Нойхаузером, Гогенштаттом, Тошеком и Демелтом. 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 свои работы в области лазерного охлаждения и захвата атомов.
Доплеровское охлаждение включает свет с частотой, настроенной немного ниже электронного перехода в атоме . Поскольку свет расстроен на «красный» (то есть на более низкую частоту) перехода, атомы будут поглощать больше фотонов , если они будут двигаться 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 случае поглощения атом теряет импульс , равный импульсу фотона. Атом, который теперь находится в возбужденном состоянии, испускает фотон спонтанно, но случайным образом вдоль + x или - x . Импульс возвращается к атому. Если фотон был испущен вдоль + x , то результирующего изменения нет; однако, если фотон был испущен вдоль -x , то атом движется медленнее либо в -x, либо в + x .
Конечным результатом процесса поглощения и излучения является уменьшение скорости атома при условии, что его начальная скорость больше, чем скорость отдачи при рассеянии одного фотона. Если поглощение и испускание повторяются много раз, средняя скорость и, следовательно , кинетическая энергия атома будут уменьшаться. Поскольку температура ансамбля атомов является мерой случайной внутренней кинетической энергии, это эквивалентно охлаждению атомов.
Подавляющее большинство фотонов, приближающихся к определенному атому, почти [4] не подвержены влиянию этого атома. Атом почти полностью прозрачен для большинства частот (цветов) фотонов.
| 1 | Неподвижный атом не видит лазер ни в красном, ни в синем смещении и не поглощает фотон. |
|---|---|
| 2 | Атом, удаляющийся от лазера, видит его смещенным в красную сторону и не поглощает фотон. |
| 3.1 | Атом, движущийся к лазеру, видит его смещенным в синий цвет и поглощает фотон, замедляя атом. |
| 3.2 | Фотон возбуждает атом, переводя электрон в более высокое квантовое состояние. |
| 3.3 | Атом переизлучает фотон. Поскольку его направление случайно, нет чистого изменения импульса для многих фотонов. |