Sisyfeisk kylning

Sisyfoskylning av atomer ( eng.  Sisyphuskylning ) är en mekanism för att sänka temperaturen på atomer med hjälp av laserljus till temperaturer under de som kan uppnås med Dopplerkylning (~500 μK). Kylning är resultatet av atomernas interaktion med en polarisationsgradient skapad av två laserstrålar som utbreder sig mot varandra med ortogonal linjär polarisation. Atomer som flyger i ljusvågens riktning som ett resultat av en spontan övergång från den övre till den nedre nivån av det "klädda" tillståndet ( dressed state ) förlorar kinetisk energi. Som ett resultat av detta minskar atomernas temperatur med två storleksordningar jämfört med temperaturen som erhålls genom dopplerkylning (~ 10 μK).

Introduktion

För att förstå mekanismen för att kyla en atom med Sisyfos-processen är det nödvändigt att involvera följande fysiska processer:

Variabel Stark-effekt

En atom placerad i ett yttre elektriskt fält ändrar sin energi. Som ett resultat förskjuts atomens energinivåer med , där  är atomens elektriska dipolmoment .

Denna effekt kallas Stark-effekten . Ett liknande beteende hos en atom observeras i ett växlande elektriskt fält, inklusive när det belyses av ljus, kallas det "Variable Stark effect" (i engelsk litteratur - AC-Stark effect ):

var  är Rabi-frekvensen ,  är avstämningen av laserfrekvensen från atomresonansen

Modellnivåstruktur


Modellens energistruktur för atomen visas i Fig.2. Det kan ses från detta diagram att övergångar mellan nivåer under inverkan av ljus, beroende på dess polarisering, sker med olika sannolikheter. Sannolikheten för övergångar mellan nivåer och under inverkan av ljus med cirkulär polarisation är lika med enhet . Medan sannolikheten för övergångar mellan nivåer och är tre gånger mindre (1/3) . I fallet med excitation av nivåer och av linjärt polariserat ljus är övergångssannolikheten (2/3) .


Polarisationsgradient

I det fall två linjärt polariserade vågor utbreder sig i en atomånga, ortogonala mot varandra och rör sig mot varandra, ser atomen en total polarisering med ett mycket märkligt beteende, se Fig.3.

Vid punkten O kommer polariseringen att vara linjär, och vid punkten kommer den att förvandlas till en cirkulär, roterande åt vänster. Med ytterligare rörelse av atomen, svängen av linjär polarisation (roterad med 90 ° i förhållande till originalet, punkt ) och högercirkulär (punkt . B kommer att återgå till den ursprungliga linjära polarisationen, men med en fördröjning på 180 grader). Perioden för fullständig förändring av polarisation är .


Den beskrivna polarisationsgradienten kommer att leda till att en rörlig atom vid olika punkter i rymden kommer att ha en annan ljusförskjutning av nivåer.

Betrakta ett exempel för ljus vars frekvens är mindre än övergångsfrekvensen , (se fig. 4.):

Kvalitativ beskrivning av kylprocessen

Låt oss anta att atomerna som rör sig längs OZ-axeln i ögonblicket för att slå på laserstrålningen befinner sig vid punkten λ / 8. Vid denna punkt kommer vänsterhänt polariserat ljus att orsaka forcerade övergångar av atomen mellan nivåer och . Livslängden för en atom i exciterat tillstånd för alkalimetaller är ungefär = 30 ns, varefter atomen spontant återgår till sin ursprungliga eller annan nivå i enlighet med urvalsreglerna. I det aktuella fallet finns det bland de möjliga sönderfallsvägarna en som kommer att leda till energiförlust, nämligen: .

Atomen kommer att vara i övergångspotentialen väl bildad som ett resultat av ljusskiftet. Under denna spontana övergång med emission av en foton i en slumpmässig riktning, förlorar atomen den energi som förvärvats på grund av absorptionen av en foton i -OZ-riktningen, det vill säga på grund av processens anisotropi, atomhastighetskomponenten längs OZ-axeln kommer att minska. En något annorlunda energibalans kommer att observeras vid en annan övergång.

Atomer, efter att ha nått nivån , kommer att fortsätta att röra sig och samtidigt klättra upp för den potentiella kullen som bildas som ett resultat av ljusförskjutningen och förlorar kinetisk energi (saktar ner). Vid ett tillfälle kommer en atom att göra en påtvingad övergång från nivå till nivå under inverkan av rätcirkulär polarisering , och därifrån sönderfaller den spontant till nivå , då kommer den att förlora (efter att ha emitterat) energi . Efter det kommer atomen igen att börja klättra upp och förlora energi, medan processen igen vid den punkten kommer att upprepas igen.

Bakgrund

Teoretiska studier av kylning av atomer med laserljus började på 1970-talet. Den första teoretiskt utvecklade processen var den så kallade dopplerkylningen av atomer. Det visades i [1] att dopplerkylning gör det möjligt att sänka atomernas temperatur till ett värde som bestäms av den naturliga halvbredden av linjen för den resonans optiska övergången av atomer. På 1980-talet blev experimentella studier av kylning av atomer med laserljus ett hett ämne inom området för grundläggande fysikforskning. I slutet av 1980-talet hade atomer kylts ner långt under den temperatur som förutspåtts av teorin om Dopplerkylning. Det var nödvändigt att förklara skillnaderna mellan teori och experiment. En sådan förklaring gavs 1989 (se litteratur ) av en grupp franska fysiker under ledning av C. Cohen- Tannouudji . Detta gjordes med hjälp av "Sisyphean cooling"-mekanismen (eller det andra namnet för polarisationsgradientmekanismen). Kylmekanismen namngavs av författarna för att hedra hjälten från den grekiska mytologin Sisyfos , som släpade stenen till toppen av berget, från vilken stenen sedan föll ner och Sisyfos var tvungen att resa den om och om igen. Detta fortsatte i oändlighet.  

År 1997, för en serie arbeten om kylning av atomer, i synnerhet för att förklara den sisyfiska kylmekanismen, tilldelades den franske vetenskapsmannen Cohen-Tanuji Nobelpriset i fysik .

Anteckningar

  1. V. S. Letokhov, V. G. Minogin, B. D. Pavlik. Kylning och infångning av atomer och molekyler av ett resonant laserfält. JETP 72 , 1328 (1977).

Litteratur

Länkar

Se även