Лазерное охлаждение

Перевод Константина Лукашевича

Не правда ли что если освещать предмет светом, он нагревается, а не охлаждается?

Когда вы освещаете вашу руку светом, она нагревается потому что свет поглощается и переходит в тепло. Идея охлаждать атомы заключается в том чтобы заставить свет отражаться от них. Фактически, он отражается с большей энергией чем попадает на атомы.

Это звучит как фокус.

Так и есть. Это заняло достаточно много времени у физиков чтобы выяснить как это происходит. Все началось с идеи что лазерное излучение состоит из потока фотонов. К слову сказать эти фотоны очень яркие. Соединяясь с атомами эти фотоны как шарики для пинг-понга соединяются в группы, похожие на шар для боулинга. И в тоже самое время вы можете направить этот шар в любом направлении, и если вы попадете им в поток атомов и фотонов, вы можете выбить атомы лазерным излучением. Попробуйте подобрать необходимую мощность и направление чтобы замедлить атомы.

Принято считать, что работы по лазерному охлаждению атомов начались с публикации Стивена Чу 1985 года. Теоретически, с помощью лазерного охлаждения могут быть достигнуты экстремально низкие температуры порядка 10^-9 K. Если атом направляется к лазерному пучку и поглощает фотоны из излучения, он будет замедляться из-за того что у фотона есть импульс p = E/c = h/λ. Если мы возьмем атом натрия и посчитаем количество атомов свободно движущихся в вакууме при температуре 300К, то средняя скорость движения составит 570 м/с. Затем, если настроить лазер на одну из d-линий натрия (589.0 и 589.6 нм, около 2.1 эВ), то атом натрия, движущийся к лазеру и поглощающий фотон, получит импульс, уменьшенный на сумму импульсов фотонов. Такие поглощения займут достаточно долгое время чтобы охладить атом натрия до 0 К, т.к. одно поглощение замедляет атом только на 3см/с, со скорости 570м/с. Прогноз предполагает, что требуется около 20,000 фотонов чтобы уменьшить импульс атома до 0. Изменение скорости от поглощения одним фотоном может быть посчитана по формулам

Δp/p = p_фотона/mv = Δv/v
Δv = p_фотона/m

Казалось бы, это множество фотонов, но согласно Чу, лазер может индуцировать порядка 10⁷ поглощений в секунду, так что атом может быть замедлен за миллисекунды.

Проблема заключается в том, что поглощение также может вызывать ускорение атомов, если оно происходит с атомами, движущимися сонаправленно лазерному пучку, поэтому необходимо получить больше поглощений в случае когда атом и фотон летят навстречу друг другу, если ваша цель состоит в замедлении атомов.

Это достигается на практике настройкой лазера чуть ниже резонансного поглощения стационарных атомов натрия. С точки зрения атома, головной фотон рассматривается как доплеровский смещенный вверх к ее резонансной частоте и, следовательно, более сильно поглощаемый, чем фотон движущийся в противоположном направлении, так называемый, доплеровский смещенный от резонансной частоты. В нашем случае, когда атомы натрия находятся при комнатной температуре, влетающий фотон будет доплеровски смещен до 0.97 ГГц, и чтобы получить переднее столкновение атома и фотона в соответствии с резонансной частотой потребуется, чтобы лазер был настроен ниже резонансного пика на эту сумму частот. Этот метод охлаждения атомов натрия был предложен Теодором Хансчем и Артуром Шавловым из Стенфордовского университета в 1975 году и подтвержден Чу в AT&T Bell лаборатории в 1985. Атомы натрия были охлаждены с теплового потока в 500К до 240 мК. В эксперименте была заложена экспериментальная методика, которая заключается в направлении лазерных пучков, линейно поляризованных на 90° относительно друг друга с противоположных сторон на образец. Шесть лазеров могут обеспечить по паре пучков вдоль каждой координатной оси. Наличие "вязкого" эффекта лазерных пучков в замедлении атомов получило название "оптическая патока" Чу.

Возможность охлаждения атомов натрия этим методом, требует настройки лазера вверх по частоте в сторону атомной резонансной частоты, так как доплеровский сдвиг будет меньше. Это ставит практический предел на сколько охлаждение может быть достигнуто, потому что дифференциальная скорость охлаждения уменьшается, и в определенный момент охлаждения механизм сбивается теплом из-за случайного поглощения и переизлучения фотонов. Этот практический предел характеризуется формулой 2kT = E_{рез.фотона}, которая при низких температурах порядка 240 мК будет соответствовать энергии фотона порядка 4 x 10^-8 эВ. Такая энергия может характеризоваться расколом энергетических уровней Зеемана в магнитных полях, образованных фотонами лазера.

Было установлено, что расщепление, которое ограничивает первоначальный процесс лазерного охлаждения, может быть использовано для снижения конечной температуры ниже этих пределов. С противоположной стороны лазерных пучков с перпендикулярной линейной поляризации, атомы могут спонтанно перемещаться или "оптически закачиваться" на более низкие энергетические уровни.

Эти лазеры создают небольшую область пространства около четверти длины волны, где атомы могут дрейфовать в область, где их энергия сравнительно выше, только для того, чтобы быть накаченными на более низкий энергетический уровень снова. Это было названо "Сизифово охлаждение" по аналогии с легендарным мучавшимся человеком, который был приговорен к постоянному качению камня на гору, только, чтобы он опять скатывался вниз. Благодаря "оптической патоке" и поляризационному градиенту в области противодействия лазерных лучей, были получены низкие температуры вплоть до 35 мК для натрия и 3 мК для цезия.

Развитые методы лазерного охлаждения тепловых атомных пучков позволили перейти к решению другой важной физической проблемы: охлаждению релятивистских пучков в накопительных кольцах. Существует много приложений охлажденных релятивистских ионных пучков, среди которых наиболее интересными представляются проверки специальной теории относительности и спектроскопические измерения, которые проводятся в различных накопительных кольцах.

Проведенные эксперименты с ионными пучками показали, что достижимая минимальная температура ограничена совершенно другими процессами, чем в тепловых пучках. При охлаждении релятивистских пучков помимо величины силы светового давления решающую роль играет скоростной диапазон действия силы светового давления. Реализованное уменьшение начальной температуры ионов более чем на два порядка позволяет говорить о создании нового подхода в охлаждении релятивистских ионов в накопительных кольцах.