Рамановское охлаждение

В атомной физике , комбинационное охлаждения является суб-отдачи технику охлаждения , которая позволяет охлаждение атомов с помощью оптических методов ниже ограничений охлаждения Доплера , доплеровское охлаждение ограничивается за счет энергии отдачи фотона данной к атому. Эта схема может быть реализована в простой оптической патоке или в патоке с наложенной оптической решеткой , что называется соответственно рамановским охлаждением в свободном пространстве ^[1] и рамановским охлаждением боковой полосы. ^[2] Оба метода используют комбинационное рассеяние лазерного света атомами.

Двухфотонный рамановский процесс [ править ]

Рамановский двухфотонный процесс между двумя состояниями через виртуальное состояние, слегка отстроенное в красную сторону от реального возбужденного состояния

Переход между двумя сверхтонкими состояниями атома может быть инициирован двумя лазерными лучами: первый луч переводит атом в виртуальное возбужденное состояние (например, потому что его частота ниже, чем реальная частота перехода), а второй луч снимает возбуждение с атома. на другой сверхтонкий уровень. Разность частот двух лучей в точности равна частоте перехода между двумя сверхтонкими уровнями.

Иллюстрация этого процесса показана на схематической иллюстрации двухфотонного рамановского процесса. Он позволяет переходить между двумя уровнями и . Промежуточный виртуальный уровень представлен пунктирной линией и отстроен красным цветом относительно реального возбужденного уровня . Разница частот здесь точно соответствует разнице энергии между и .${\ displaystyle | g_ {1} \ rangle}$${\ displaystyle | g_ {2} \ rangle}$${\ Displaystyle | е \ rangle}$${\ displaystyle f_ {2} -f_ {1}}$${\ displaystyle | g_ {1} \ rangle}$${\ displaystyle | g_ {2} \ rangle}$

Рамановское охлаждение в свободном пространстве [ править ]

В этой схеме предварительно охлажденное облако атомов (температура которого составляет несколько десятков микрокельвинов) подвергается серии импульсов рамановских процессов. Лучи распространяются в противоположных направлениях, и их частоты такие же, как описано выше, за исключением того, что частота теперь немного расстроена на красный цвет (отстройка ) относительно своего нормального значения. Таким образом, атомы, движущиеся к источнику лазера 2 с достаточной скоростью, будут резонировать с импульсами комбинационного рассеяния благодаря эффекту Доплера . Они будут возбуждены до состояния и получат импульс, уменьшающий модуль их скорости.${\ displaystyle f_ {2}}$${\ displaystyle \ Delta}$${\ displaystyle | g_ {2} \ rangle}$

Если направления распространения двух лазеров поменять местами, то атомы, движущиеся в противоположном направлении, будут возбуждены и получат импульс импульса, который уменьшит модуль их скоростей. Регулярно меняя направления распространения лазеров и варьируя отстройку , можно добиться того, чтобы все атомы, для которых начальная скорость удовлетворяла требованиям , находились в состоянии , а такие атомы, которые все еще находятся в этом состоянии. Затем включается новый луч, частота которого в точности совпадает с частотой перехода между и . Это оптически перекачивает атомы из состояния в состояние, и скорости будут случайным образом рандомизированы этим процессом, так что часть атомов в${\ displaystyle \ Delta}$${\ displaystyle | v |> v_ {max}}$${\ displaystyle | g_ {2} \ rangle}$${\ displaystyle | v | <v_ {max}}$${\ displaystyle | g_ {1} \ rangle}$${\ displaystyle | g_ {2} \ rangle}$${\ Displaystyle | е \ rangle}$${\ displaystyle | g_ {2} \ rangle}$${\ displaystyle | g_ {1} \ rangle}$${\ displaystyle | g_ {2} \ rangle}$приобретет скорость .${\ displaystyle | v | <v_ {max}}$

Повторяя этот процесс несколько раз (восемь в исходной статье, см. Ссылки), температура облака может быть снижена до менее чем микрокельвина.

Рамановское охлаждение по боковой полосе [ править ]

Рамановское охлаждение по боковой полосе

Эта схема охлаждения начинается с атомов в магнитооптической ловушке . Затем происходит наращивание оптической решетки, так что значительная часть атомов оказывается захваченной. Если лазеры решетки достаточно мощные, каждый узел можно смоделировать как гармоническую ловушку. Поскольку атомы не находятся в основном состоянии, они будут захвачены одним из возбужденных уровней гармонического осциллятора. Целью рамановского охлаждения боковой полосы является перевод атомов в основное состояние гармонического потенциала в узле решетки.

Мы рассматриваем двухуровневый атом, основное состояние которого имеет квантовое число F = 1, такое, что оно является трехкратным вырожденным с m = -1, 0 или 1. Добавляется магнитное поле, которое снимает вырождение в м за счет эффекта Зеемана . Его значение точно настроено так, что зеемановское расщепление между m = -1 и m = 0 и между m = 0 и m = 1 равно расстоянию между двумя уровнями в гармоническом потенциале, создаваемом решеткой.

Посредством рамановских процессов атом можно перевести в состояние, в котором магнитный момент уменьшился на единицу, а колебательное состояние также уменьшилось на единицу (красные стрелки на рисунке). После этого атомы, находящиеся в низшем колебательном состоянии потенциала решетки (но с ), оптически накачиваются в состояние m = 1 (роль и${\ displaystyle m \ neq 1}$${\displaystyle \sigma _{+}}$${\displaystyle \pi }$световые лучи). Поскольку температура атомов достаточно низка по сравнению с частотами пучка накачки, весьма вероятно, что атом не изменит свое колебательное состояние в процессе накачки. Таким образом, он попадает в более низкое колебательное состояние, то есть охлаждается. Чтобы достичь этого эффективного перехода в более низкое колебательное состояние на каждом этапе, параметры лазера, то есть мощность и синхронизация, должны быть тщательно настроены. В общем, эти параметры различны для разных колебательных состояний, потому что сила связи ( частота Раби ) зависит от колебательного уровня. Дополнительное осложнение этой наивной картины возникает из-за отдачи фотонов., которые управляют этим переходом. Последнего осложнения, как правило, можно избежать, выполняя охлаждение в так называемом режиме Лэмба-Дике . В этом режиме атом настолько сильно захвачен оптической решеткой, что практически не меняет свой импульс из-за отдачи фотонов. Ситуация аналогична эффекту Мёссбауэра .

Такая схема охлаждения позволяет получить достаточно высокую плотность атомов при низкой температуре, используя только оптические методы. Например, бозе-эйнштейновская конденсация цезия была впервые достигнута в эксперименте, в котором в качестве первого шага использовалось рамановское охлаждение по боковой полосе. ^[3] Недавние эксперименты показали, что этого достаточно даже для непосредственного получения конденсации Бозе – Эйнштейна . ^[4]

Ссылки [ править ]