Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Лазерное охлаждение включает в себя ряд методов, в которых атомные и молекулярные образцы охлаждаются почти до абсолютного нуля . Методы лазерного охлаждения основаны на том факте, что когда объект (обычно атом) поглощает и повторно излучает фотон (частицу света), его импульс изменяется. Для ансамбля частиц их термодинамическая температура пропорциональна дисперсии их скорости. То есть более однородные скорости частиц соответствуют более низкой температуре. Методы лазерного охлаждения сочетают в себе атомную спектроскопию с вышеупомянутым механическим эффектом света для сжатия распределения скоростей ансамбля частиц, тем самым охлаждая частицы.

Упрощенный принцип доплеровского лазерного охлаждения:
1 Неподвижный атом видит лазер ни в красном, ни в синем смещении и не поглощает фотон.
2 Атом, удаляющийся от лазера, видит, что он смещен в красную область, и не поглощает фотон.
3.1 Атом, движущийся к лазеру, видит, что он смещен в синий цвет, и поглощает фотон, замедляя атом.
3.2 Фотон возбуждает атом, переводя электрон в более высокое квантовое состояние.
3.3 Атом повторно излучает фотон. Поскольку его направление является случайным, нет чистого изменения количества движения за многие циклы поглощения-излучения.

Первым примером лазерного охлаждения, а также наиболее распространенным методом (настолько, что его все еще часто называют просто «лазерным охлаждением») является доплеровское охлаждение . К другим методам лазерного охлаждения относятся:

История [ править ]

Ранние попытки [ править ]

С появлением методов лазерного охлаждения теория электромагнетизма Максвелла уже привела к количественной оценке электромагнитного излучения, оказывающего силу ( радиационное давление ), однако только на рубеже двадцатого века, когда исследования Лебедева (1901), Николса (1901) и Халл (1903) экспериментально продемонстрировали эту силу. [5] После этого периода, в 1933 году, Фриш продемонстрировал давление, оказываемое на атомы светом. Начиная с начала 1970-х годов, лазеры стали использоваться для дальнейшего изучения атомныхманипуляции. Внедрение лазеров в эксперименты по манипулированию атомами послужило появлением предложений по лазерному охлаждению в середине 1970-х годов. Лазерное охлаждение было отдельно внедрено в 1975 году двумя разными исследовательскими группами: Hänsch и Schawlow и Wineland и Dehmelt . Оба они описали процесс замедления скорости движения атомов за счет «радиационных сил». [6] В статье Хэнша и Шавлова описано влияние радиационного давления на любой объект, отражающий свет. Затем эта концепция была связана с охлаждением атомов в газе. [7] Эти ранние предложения по лазерному охлаждению опирались только на «силу рассеяния», название давления излучения. В более поздних предложениях будет представлен лазерный захват , вариант охлаждения, который требует как рассеяния, так и дипольной силы. [6]

В конце 70-х годов Ашкин описал, как радиационные силы могут использоваться как для оптического захвата атомов, так и для их одновременного охлаждения. [5] Он подчеркнул, что этот процесс может позволить проводить длительные спектроскопические измерения без выхода атомов из ловушки, и предложил перекрытие оптических ловушек для изучения взаимодействия между различными атомами. [8] Вскоре после письма Ашкина в 1978 году две исследовательские группы: Wineland, Drullinger and Walls и Neuhauser, Hohenstatt, Toscheck и Dehmelt усовершенствовали эту работу. [6]В частности, Вайнленд, Друллинджер и Уоллс были озабочены совершенствованием спектроскопии. Группа писала об экспериментальной демонстрации охлаждения атомов с помощью радиационного давления. Они ссылаются на прецедент использования радиационного давления в оптических ловушках, но критикуют неэффективность предыдущих моделей из-за наличия эффекта Доплера . Чтобы уменьшить эффект, они применили альтернативный подход к охлаждению ионов магния ниже комнатной температуры. [9] Используя электромагнитную ловушку для удержания ионов магния, они обстреляли их лазером, едва не совпадающим по фазе с резонансной частотой атомов. [10]Исследования обеих групп служили для иллюстрации механических свойств света. [6] Примерно в это время методы лазерного охлаждения позволили снизить температуру примерно до 40 кельвинов .

Современные достижения [ править ]

Уильям Филлипс находился под влиянием статьи Вайнленда и пытался имитировать ее, используя нейтральные атомы вместо ионов. В 1982 году он опубликовал первую статью об охлаждении нейтральных атомов. Используемый им процесс теперь известен как зеемановский замедлитель и стал одним из стандартных методов замедления атомного пучка. Теперь была достигнута температура около 240 микрокельвинов. Этот порог был самым низким, по мнению исследователей, возможным. Когда температура достигла 43 затем microkelvins в эксперименте Стивен Чу , [11] новый минимум объясняется добавлением более атомных состояний в сочетании с лазерной поляризации. Предыдущие концепции лазерного охлаждения были сочтены слишком упрощенными. [10]Основные прорывы 70-х и 80-х годов в использовании лазерного света для охлаждения привели к нескольким улучшениям в уже существовавших технологиях и новым открытиям с температурами чуть выше абсолютного нуля . Процессы охлаждения использовались, чтобы сделать атомные часы более точными и улучшить спектроскопические измерения, и привели к наблюдению нового состояния вещества при ультрахолодных температурах. [5] [10] Новое состояние вещества, конденсат Бозе-Эйнштейна , было обнаружено в 1995 году Эриком Корнеллом , Карлом Виманом и Вольфгангом Кеттерле . [12]

Доплеровское охлаждение [ править ]

Основная статья: Доплеровское охлаждение
Лазеры, необходимые для магнитооптического захвата рубидия-85: (а) и (б) показывают поглощение (красный цвет отстроен от пунктирной линии) и цикл спонтанного излучения, (в) и (г) - запрещенные переходы, (д) ) показывает, что если охлаждающий лазер возбуждает атом до состояния F = 3, ему разрешается распадаться до «темного» нижнего сверхтонкого состояния, F = 2, что остановило бы процесс охлаждения, если бы не переставляющий лазер. (е).

Доплеровское охлаждение, которое обычно сопровождается силой магнитного захвата для создания магнитооптической ловушки , на сегодняшний день является наиболее распространенным методом лазерного охлаждения. Он используется для охлаждения газов низкой плотности до доплеровского предела охлаждения , который для рубидия- 85 составляет около 150 микрокельвинов .

При доплеровском охлаждении сначала частота света настраивается немного ниже электронного перехода в атоме . Поскольку свет расстраивается на «красный» (то есть на более низкую частоту) перехода, атомы будут поглощать больше фотонов, если они движутся к источнику света из-за эффекта Доплера . Таким образом, если направить свет с двух противоположных направлений, атомы всегда будут рассеивать больше фотонов из лазерного луча, направленного против направления их движения. В каждом случае рассеяния атом теряет импульсравен импульсу фотона. Если атом, который сейчас находится в возбужденном состоянии, затем самопроизвольно испускает фотон, он получит тот же импульс, но в случайном направлении. Поскольку первоначальное изменение импульса было чистой потерей (противоположной направлению движения), в то время как последующее изменение было случайным (т. Е. Не чистым усилением), общий результат процесса поглощения и излучения состоит в уменьшении импульса атома, поэтому его скорость - при условии, что его начальная скорость была больше скорости отдачи от рассеяния одиночного фотона. Если поглощение и испускание повторяются много раз, средняя скорость и, следовательно, кинетическая энергия атома будут уменьшены. Поскольку температура группы атомов является мерой средней случайной внутренней кинетической энергии, это эквивалентно охлаждению атомов.

Использует [ редактировать ]

Лазерное охлаждение в основном используется для создания ультрахолодных атомов для экспериментов в квантовой физике . Эти эксперименты проводятся около абсолютного нуля, где можно наблюдать уникальные квантовые эффекты, такие как конденсация Бозе – Эйнштейна . Лазерное охлаждение в основном использовалось для атомов, но в последнее время был достигнут прогресс в области лазерного охлаждения более сложных систем. В 2010 году команда из Йельского университета успешно охладила двухатомную молекулу лазером . [13] В 2007 году группа ученых из Массачусетского технологического института успешно охладила с помощью лазера объект макро-масштаба (1 грамм) до 0,8 К. [14]В 2011 году команда из Калифорнийского технологического института и Венского университета стала первой, кто охладил механический объект (10 мкм x 1 мкм) лазером до его основного квантового состояния. [15]

См. Также [ править ]

  • Список статей о лазерах  - статья со списком Википедии
  • Оптический пинцет
  • Zeeman Slower
  • Эффект Мёссбауэра  - Резонансное излучение и поглощение гамма-излучения атомными ядрами без отдачи
  • Мессбауэровская спектроскопия  - исследует свойства конкретных изотопных ядер в различных атомных средах путем анализа резонансного поглощения гамма-лучей. См. Также эффект Мёссбауэра.
  • Квантовые холодильники
  • Хронология низкотемпературных технологий  - аспект истории
  • Исследователи в области лазерного охлаждения
    • Клод Коэн-Таннуджи  - французский физик
    • Стивен Чу  - американский физик, бывший министр энергетики США и лауреат Нобелевской премии

Ссылки [ править ]

  1. ^ Лазерное охлаждение и захват нейтральных атомов Нобелевская лекция Уильяма Д. Филлипса , 8 декабря 1997 г .: Филлипс, Уильям Д. (1998). «Нобелевская лекция: Лазерное охлаждение и захват нейтральных атомов» . Обзоры современной физики . 70 : 721–741. Bibcode : 1998RvMP ... 70..721P . DOI : 10.1103 / RevModPhys.70.721 .
  2. ^ А. Аспект; Э. Аримондо; Р. Кайзер; Н. Ванстеенкисте; К. Коэн-Таннуджи (1988). «Лазерное охлаждение ниже энергии однофотонной отдачи за счет селективного по скорости когерентного захвата населения» . Phys. Rev. Lett . 61 (7): 826–829. Bibcode : 1988PhRvL..61..826A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.61.826 . PMID 10039440 . 
  3. ↑ Питер Хорак; Джеральд Хеченблайкнер; Клаус М. Гери; Хервиг Штехер; Гельмут Ритч (1988). «Охлаждение атомов в резонаторе в режиме сильной связи». Phys. Rev. Lett . 79 (25): 4974–4977. Bibcode : 1997PhRvL..79.4974H . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.79.4974 .
  4. ^ Халлер, Эльмар; Хадсон, Джеймс; Келли, Эндрю; Котта, Дилан А .; Peaudecerf, Bruno; Брюс, Грэм Д .; Кухр, Стефан (2015). «Одноатомное изображение фермионов в квантово-газовом микроскопе». Физика природы . 11 (9): 738–742. arXiv : 1503.02005 . Bibcode : 2015NatPh..11..738H . DOI : 10.1038 / nphys3403 .
  5. ^ a b c Адамс и Риис, Чарльз С. и Эрлинг. «Лазерное охлаждение и манипуляции с нейтральными частицами» (PDF) . Новая оптика .
  6. ^ a b c d Филлипс, Уильям Д. (1998). «Нобелевская лекция: Лазерное охлаждение и захват нейтральных атомов» . Обзоры современной физики . 70 (3): 721–741. Bibcode : 1998RvMP ... 70..721P . DOI : 10,1103 / revmodphys.70.721 .
  7. ^ "Охлаждение газов лазерным излучением - ScienceDirect" (PDF) . ac.els-cdn.com . Проверено 5 мая 2017 .
  8. ^ Эшкина, A. (1978). «Захват атомов давлением резонансного излучения» . Письма с физическим обзором . 40 (12): 729–732. Bibcode : 1978PhRvL..40..729A . DOI : 10.1103 / physrevlett.40.729 .
  9. ^ Вайнленд, диджей; Друллинджер, RE; Уоллс, Флорида (1978). «Радиационно-давление охлаждения связанных резонансных поглотителей» . Письма с физическим обзором . 40 (25): 1639–1642. Bibcode : 1978PhRvL..40.1639W . DOI : 10.1103 / physrevlett.40.1639 .
  10. ^ a b c Барди, Джейсон Сократ (2008-04-02). «В фокусе: Ориентиры: лазерное охлаждение атомов» . Физика . 21 . DOI : 10.1103 / physrevfocus.21.11 .
  11. ^ «Лазерное охлаждение» . hyperphysics.phy-astr.gsu.edu . Проверено 6 мая 2017 .
  12. ^ Чин, Ченг (2016). "Ультрахолодные атомные газы становятся сильными" (PDF) . Национальный научный обзор . 3 (2): 168–173. DOI : 10.1093 / NSR / nwv073 .
  13. ^ Е.С. Шуман; Дж. Ф. Барри; Д. Демилль (2010). «Лазерное охлаждение двухатомной молекулы». Природа . 467 (7317): 820–823. arXiv : 1103.6004 . Bibcode : 2010Natur.467..820S . DOI : 10,1038 / природа09443 . PMID 20852614 . 
  14. ^ Массачусетский технологический институт (2007, 8 апреля). Лазерное охлаждение приближает большой объект к абсолютному нулю . ScienceDaily. Проверено 14 января 2011 года.
  15. ^ Команда Caltech использует лазерный свет для охлаждения объекта до квантового основного состояния . Caltech.edu. Проверено 27 июня, 2013. Обновлено 05.10.2011.

Дополнительные источники [ править ]

  • Атомная физика. Фут, CJ Oxford University Press (2005). PDF
  • Коэн-Тануджи, Клод (2011). Успехи атомной физики . World Scientific. п. 791. DOI : 10.1142 / 6631 . ISBN 978-981-277-496-5.
  • Боули, Роджер; Коупленд, Эд (2010). «Лазерное охлаждение» . Шестьдесят символов . Brady Харан для Ноттингемского университета .
  • Лазерное охлаждение HyperPhysics