Доплерівське охолодження

Доплерівське охолодження — метод лазерного охолодження, що ґрунтується на ефекті Доплера та спонтанному комбінаційному розсіюванні. Виберемо два рівні енергії, основний та збуджений, між якими дозволено дипольний електричний перехід. Імовірність зіткнень молекул в одиницю часу в газі набагато менша, ніж радіаційна ширина спектральної лінії переходу, і дорівнює ймовірності поглинання оптичного фотона в одиницю часу. Частота лазера вибирається трохи нижче частоти переходу. Завдяки ефекту Доплера ті атоми, які рухаються назустріч фотону, «бачать» вищу частоту фотона і виявляються за умов сильного резонансного розсіювання, на відміну протилежного випадку, коли умова резонансу не виконується. В результаті домінує процес поглинання фотонів зі спонтанним перевипромінюванням їх у довільному напрямку в просторі, що супроводжується гальмуванням атомів, що рухаються. При спонтанному комбінаційному розсіюванні в середньому відбувається випромінювання фотона з частотою більшою, ніж у поглиненого фотона. Таким чином, випромінюваний фотон має більшу енергію, ніж поглинений. Різниця енергій цих фотонів «запозичується» з енергії теплового руху атома. Якщо довжина хвилі лазера дорівнює, наприклад, 600 нм, то в кожному акті розсіювання атом охолоджується на кілька мілікельвінів. В результаті, для суттєвого охолодження атома потрібно близько 100 000 актів розсіювання. Даним методом можна охолодити атом до температури ~500 μK. Якщо потрібно охолодити атоми до ще більш низьких температур, наприклад, десятків мікрокельвінів, то використовують охолодження методом бічної смуги і охолодження Сизіфа, а якщо потрібно отримати температуру в кілька нанокельвін, то використовують селективне по швидкостях когерентне плівка заселеності.

Спрощений принцип охолодження доплерівським лазером: 1. Нерухомий атом не бачить лазерного випромінювання ні зміщеного в червоний, ні в синій кольори та не поглинає фотон. 2. Атом, що рухається від лазера, бачить його зміщеного в червоний колір та не поглинає фотон. 3.1. Атом, що рухається до лазера, бачить його зміщеного в синій колір та поглинає фотон, уповільнюючи атом. 3.2. Фотон збуджує атом, переміщуючи електрон у вищий квантовий стан. 3.3. Атом повторно випромінює фотон. Оскільки його напрямок випадковий, немає жодної зміни імпульсу протягом багатьох фотонів.

Історія

Доплерівське охолодження було запропоновано одночасно двома групами в 1975 році: першою були Девід Дж. Вайнленд та Ганс Георг Демельт^[1] , а другою — Теодор В. Генш та Артур Леонард Шавлов^[2]. Його вперше продемонстрували Вайнленд, Друллінгер та Воллс у 1978 році^[3], а невдовзі після цього Нойхаузер, Гогенштатт, Тошек та Демельт.^[4] Одна з концептуально простих форм доплерівського охолодження називається оптичною патокою, оскільки дисипативна оптична сила нагадує в'язкий опір тіла, що рухається крізь патоку. Стівен Чу, Клод Коен-Таннуджі та Вільям Д. Філліпс були удостоєні Нобелівської премії з фізики 1997 року за їхню роботу в галузі лазерного охолодження та захоплення атомів.^[5]

Джерела

• Foot, C. J. (2005). Atomic Physics. Oxford University Press. с. 182–213. ISBN 978-0-19-850696-6.
• Metcalf, H. J.; van der Straten, P. (1999). Laser Cooling and Trapping. Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-98728-6.
• Phillips, W. D. (1997). Laser Cooling and Trapping of Atoms (PDF). Nobel Lecture. Nobel Foundation. с. 199—237.