Sisyfean jäähdytys

Sisyphus-atomien jäähdytys ( eng. Sisyphus cooling ) on mekanismi atomien lämpötilan alentamiseksi laservalolla Doppler-jäähdytyksellä saavutettavien lämpötilojen alapuolelle (~500 μK). Jäähtyminen on seurausta atomien vuorovaikutuksesta polarisaatiogradientin kanssa, jonka muodostavat kaksi toisiaan kohti etenevää lasersäteitä ortogonaalisella lineaarisella polarisaatiolla. Atomit, jotka lentävät valoaallon suuntaan "pukeutuneen" tilan ( pukeutuneen tilan) spontaanin siirtymisen seurauksena ylemmältä tasolta alemmalle tasolle (pukeutunut tila ) menettävät kineettistä energiaa. Tämän seurauksena atomien lämpötila laskee kaksi suuruusluokkaa verrattuna Doppler-jäähdytyksellä saatuun lämpötilaan (~ 10 μK).

Johdanto

Jotta voitaisiin ymmärtää atomin jäähdytysmekanismi Sisyphus-prosessia käyttämällä, on otettava mukaan seuraavat fysikaaliset prosessit:

atomitasojen valoisia siirtymiä
valon polarisaatiogradientti

Muuttuva Stark-efekti

Ulkoiseen sähkökenttään sijoitettu atomi muuttaa energiaansa. Tämän seurauksena atomin energiatasot siirtyvät , missä on atomin sähköinen dipolimomentti . ${\mathcal {E}}$ $\Delta {E}={\vec {d}}\cdot {\vec ({\mathcal {E}}}}$ $\vec{d}$

Tätä efektiä kutsutaan Stark -efektiksi . Samanlainen atomin käyttäytyminen havaitaan vaihtuvassa sähkökentässä, mukaan lukien valolla valaistuna, sitä kutsutaan "muuttuva Stark-ilmiö" (englanninkielisessä kirjallisuudessa - AC-Stark effect ):

\Delta{E} = -c^2{\frac{\Omega^2}{2\delta}}

missä on Rabi-taajuus , on lasertaajuuden virittäminen atomiresonanssista $\Omega ={\frac {{\vec {d}}\cdot {\vec {\mathcal {E}}}}{\hbar }}$ $\delta$ $\nu _{L}$

Mallitason rakenne

Atomin mallienergiarakenne on esitetty kuvassa 2. Tästä kaaviosta voidaan nähdä, että siirtymät tasojen välillä valon vaikutuksesta riippuen sen polarisaatiosta tapahtuvat eri todennäköisyyksillä. Siirtymien todennäköisyys tasojen välillä ja valon vaikutuksesta ympyräpolarisaatiolla on yhtä suuri kuin yksikkö . Kun taas todennäköisyys siirtymiin tasojen ja välillä on kolme kertaa pienempi (1/3) . Tasojen virityksessä ja lineaarisesti polarisoidulla valolla siirtymän todennäköisyys on (2/3) . $J_{g} \ja J_{e}$
$\left|g_{-{\frac {1}{2}}}\right\rangle \to \left|~e_{-{\frac {3}{2}}}\right\rangle$ $\left|g_{+{\frac {1}{2}}}\right\rangle \to ~\left|e_{+{\frac {3}{2}}}\right\rangle$
$\left|g_{+{\frac {1}{2}}}\right\rangle \to \left|~e_{-{\frac {1}{2}}}\right\rangle$ $\left|g_{-{\frac {1}{2}}}\right\rangle \to \left|~e_{+{\frac {1}{2}}}\right\rangle$
$\left|g_{-{\frac {1}{2}}}\right\rangle \to \left|~e_{-{\frac {1}{2}}}\right\rangle$ $\left|~g_{+\frac{1}{2}}\right\rangle \to \left|~e_{+\frac{1}{2}}\right\rangle$

Polarisaatiogradientti

Siinä tapauksessa, että kaksi lineaarisesti polarisoitunutta aaltoa etenevät atomihöyryssä, kohtisuorassa toisiaan vastaan ja liikkuvat toisiaan kohti, atomi näkee täydellisen polarisaation, jolla on hyvin erikoinen käyttäytyminen, katso kuva 3.

Pisteessä O polarisaatio on lineaarinen, sitten pisteessä se muuttuu pyöreäksi, pyöriväksi vasemmalle. Atomin lisäliikkeen myötä lineaarisen polarisaation käänne (käännetty 90° alkuperäiseen nähden, piste ) ja oikea-ympyrä (piste . B palaa alkuperäiseen lineaariseen polarisaatioon, mutta 180 asteen viiveellä). Polarisaation täydellisen muutoksen jakso on . $\lambda /8$ $\lambda /4$ $3\lambda /8$ $\lambda /2$ $\lambda /2$

Kuvattu polarisaatiogradientti johtaa siihen, että avaruuden eri pisteissä liikkuvalla atomilla on erilainen valotasojen siirtymä.

Tarkastellaan esimerkkiä valosta, jonka taajuus on pienempi kuin siirtymätaajuus , (katso kuva 4): $\nu_{}$ $\nu_{L}$

Piste O. Tässä valotason muutos on sama molemmilla tasoilla (punainen viiva), (vihreä viiva). $g_{-1/2}$ $g_{+1/2}$
Piste . Tässä vaiheessa polarisaatio on muuttunut vasemmanpuoleiseksi polarisoiduksi ympyräaaltoksi, joka on vuorovaikutuksessa siirtymien ja . Ensimmäisellä siirtymällä on suurempi siirtymän todennäköisyys kuin toisella ja siten suurempi dipolimomentti ja -siirtymä, katso kuva 4. $\lambda /8$ $\left|g_{-\frac{1}{2}}\right\rangle \to \left|e_{-\frac{3}{2}}\right\rangle$ $\left|g_{+\frac{1}{2}}\right\rangle \to \left|e_{-\frac{1}{2}}\right\rangle$
Piste . Tässä valotason muutos on jälleen sama molemmilla tasoilla (punainen viiva), (vihreä viiva) $\lambda /4$ $g_{-1/2}$ $g_{+1/2}$
Piste . Oikeanpuoleinen polarisoitu aalto on vuorovaikutuksessa siirtymien ja . Ensimmäisellä siirtymällä on pienempi siirtymän todennäköisyys kuin toisella ja siksi pienempi dipolimomentti ja -siirtymä kuin toisella siirtymällä. $3\lambda /8$ $\left|g_{-\frac{1}{2}}\right\rangle \to \left|e_{+\frac{1}{2}}\right\rangle$ $\left|g_{+\frac{1}{2}}\right\rangle \to \left|e_{+\frac{3}{2}}\right\rangle$

Jäähdytysprosessin laadullinen kuvaus

Oletetaan, että lasersäteilyn päällekytkemishetkellä OZ-akselia pitkin liikkuvat atomit ovat pisteessä λ / 8. Tässä kohdassa vasenkätinen polarisoitu valo aiheuttaa atomin pakkosiirtymiä tasojen ja välillä . Alkalimetallien virittyneessä tilassa olevan atomin elinikä on noin = 30 ns, jonka jälkeen atomi palaa spontaanisti alkuperäiselle tai toiselle tasolleen valintasääntöjen mukaisesti. Tarkasteltavana olevassa tapauksessa mahdollisten hajoamisten joukossa on yksi, joka johtaa energiahäviöön, nimittäin: . $\left|g_{+{\frac {1}{2}}}\right\rangle \to \left|~e_{-{\frac {1}{2}}}\right\rangle$ $\left|g_{-{\frac {1}{2}}}\right\rangle \to \left|~e_{-{\frac {3}{2}}}\right\rangle$ $\tau_a$ $\tau_a$ $\left|e_{-{\frac {1}{2}}}\right\rangle \to \left|~g_{-{\frac {1}{2}}}\right\rangle$

Atomi on siirtymäpotentiaalissa, joka on hyvin muodostunut valosiirtymän seurauksena. Tämän spontaanin siirtymän aikana, jossa fotonin emissio tapahtuu satunnaisessa suunnassa, atomi menettää energiansa, joka on saatu fotonin absorptiosta -OZ-suunnassa, eli prosessin anisotropian vuoksi atomin nopeuskomponentti pitkin. OZ-akseli pienenee. Toisessa siirtymässä havaitaan hieman erilainen energiatasapaino. $g_{-1/2}$

Atomit, saavuttaneet tason , jatkavat liikkumistaan ja samalla kiipeävät valosiirtymän seurauksena muodostuneelle potentiaalimäelle menettäen kineettistä energiaa (hidastuen). Jossain pisteessä atomi tekee pakotetun siirtymän tasolta tasolle oikeanpuoleisen ympyräpolarisaation vaikutuksesta , ja sieltä se spontaanisti hajoaa tasolle , jolloin se menettää (säteitettyään) energiaa . Sen jälkeen atomi alkaa taas kiivetä ylöspäin, menettäen energiaa, kun taas tässä vaiheessa prosessi toistuu uudelleen. $g_{-1/2}$ $3\lambda/ 8$ $g_{-1/2}$ $e_{+1/2}$ $g_{+1/2}$ $\Delta E$ $5\lambda/8$

Tausta

Teoreettiset tutkimukset atomien jäähdyttämisestä laservalolla alkoivat 1970-luvulla. Ensimmäinen teoreettisesti kehitetty prosessi oli niin sanottu atomien Doppler-jäähdytys. Kohdassa [1] osoitettiin, että Doppler-jäähdytys mahdollistaa atomien lämpötilan alentamisen arvoon , jonka määrittää atomien resonanssin optisen siirtymän viivan luonnollinen puolileveys. 1980-luvulla atomien jäähdyttämisen kokeellisista tutkimuksista laservalolla tuli kuuma aihe fysiikan perustutkimuksen alalla. 1980-luvun loppuun mennessä atomit olivat jäähtyneet selvästi Doppler-jäähdytyksen teorian ennustaman lämpötilan alapuolelle. Oli tarpeen selittää teorian ja kokeen väliset erot. Sellaisen selityksen antoi vuonna 1989 (ks. kirjallisuus ) ranskalaisten fyysikkojen ryhmä, jota johti C. Cohen -Tannouudji . Tämä tehtiin käyttämällä "Sisyphean cooling" -mekanismia (tai polarisaatiogradienttimekanismin toista nimeä). Jäähdytysmekanismin kirjoittajat ovat nimenneet kreikkalaisen mytologian sankarin Sisyphuksen kunniaksi , joka raahasi kiven vuoren huipulle, josta kivi sitten putosi alas ja Sisyphus joutui nostamaan sitä yhä uudelleen ja uudelleen. Tätä jatkui loputtomasti. $T=\hbar\gamma/k_{B}$

Vuonna 1997 ranskalainen tiedemies Cohen-Tanuji sai fysiikan Nobel -palkinnon sarjasta atomien jäähdytystä koskevista teoksista, erityisesti Sisyphen jäähdytysmekanismin selittämisestä .

Muistiinpanot

↑ V. S. Letokhov, V. G. Minogin, B. D. Pavlik. Atomien ja molekyylien jäähdytys ja vangitseminen resonanssilaserkentällä. JETP 72 , 1328 (1977).

Kirjallisuus

M. Grajcar, SHW van der Ploeg, A. Izmalkov, E. Il'ichev, H.-G. Meyer, A. Fedorov, A. Shnirman ja Gerd Schön. Sisyphuksen jäähdytys ja vahvistus suprajohtavalla kubitilla (englanniksi) (pdf). Luontofysiikka (2008). Haettu: 15. helmikuuta 2010.

Linkit

ja. "Tiede ja elämä". NOBEL-PALKINNOT 1997. VERY COLD ATOMS nro 1, 1998 S. LATYSHEV
William D. Phillipsin Nobel-luento, 8. joulukuuta 1997.
Foot, CJ Atomic Physics. Oxford University Press (2005).
J. Dalibard ja C. Cohen-Tannouudji, Laserjäähdytys Doppler-rajan alapuolelle polarisaatiogradienteilla: yksinkertaiset teoreettiset mallit, J. Opt. Soc. Am. B, 6, 20232045 (1989)

Katso myös

Letokhov, Vladilen Stepanovitš