Dopplerovo chlazení

Chlazení Doppler je chladicí technika atomů od laseru .

Princip a fungování

Princip Doppler chlazení je založen na skutečnosti, že absorpce i spontánní emise z fotonu atomem vždy dochází při zachování hybnosti, ale, že zatímco první proces je směrový, impuls Hk z dopadajícího fotonu , který má daný směr, druhý je izotropní, protože během procesu emise není žádný směr privilegován (srov. obrázek). V průměru tedy atomy procházejí během absorpce, aby viděly, že jejich hybnost se mění o ħk ve směru šíření fotonu (efekt zpětného rázu atomu), zatímco během spontánní emise nedochází k žádné (stále v průměru) změně hybnosti.

Stacionární atomy („již studené“), kde ty, které jdou stejným směrem jako dopadající fotony, však nesmí podstoupit změnu hybnosti. Pouze atomy, které jdou "proti" laserovému paprsku, by měly podstoupit účinek zpomalení. K tomu je třeba vzít v úvahu Dopplerův jev: fotony musí mít frekvenci ω (mírně) nižší, než je tato, označená ω0 elektronového přechodu atomu v klidu. O laseru se říká, že je „ detunován směrem k červené “ (tuto techniku ​​lze také najít v anglicky mluvících publikacích pod pojmem „červené detuning“).

Pokud je atom stacionární, potom neabsorbuje prakticky žádný foton kvůli tomuto „nesouladu“ mezi rezonanční frekvencí a frekvencí dopadajícího fotonu. Pokud se atom pohybuje rychlostí, bude mít dopadající impulsní foton v důsledku Dopplerova jevu frekvenci v referenčním rámci pohybujícího se atomu. Pokud je posun ve stejném směru jako foton, znamená to ještě nižší frekvenci („posunutou směrem k červené“) ve srovnání s rezonancí: v důsledku toho nebude prakticky žádná absorpce, a proto zrychlení atom. Na druhou stranu, pokud se atom pohybuje v opačném směru, má foton ve svém referenčním rámci frekvenci, která se blíží (je „posunuta směrem k modré“) frekvenci rezonance: atom podstoupí větší počet absorpčních cyklů / spontánní emise, která ji zpomaluje. proti→{\ displaystyle {\ vec {vb}}}ℏk→{\ displaystyle \ hbar {\ vec {k}}}ω=ω0-k→.proti→{\ displaystyle \ omega = \ omega _ {0} - {\ vec {k}}. {\ vec {v}}}ω=ω0-kproti{\ displaystyle \ omega = \ omega _ {0} -kv}ω=ω0+kproti{\ displaystyle \ omega = \ omega _ {0} + kv}

Je možné ukázat, že atom pohybující se rychlostí v daném směru, opačný k rychlosti šíření fotonů (tedy laserového paprsku), podstupuje v průměru sílu formy (s ), podobnou síle viskózního tlumení kapalinou. Použitím 6 paprsků, rozmístěných v protipropagujících párech ve 3 směrech vesmíru, bude možné zpomalit atomy ve všech směrech. proti→{\ displaystyle {\ vec {vb}}}-αproti→{\ displaystyle - \ alpha {\ vec {v}}}α>0{\ displaystyle \ alpha> 0}

Samozřejmě, aby proces fungoval, je nutné, aby spontánní emise absorbovaného fotonu vedla atom do stejného počátečního stavu, aby se znásobily absorpční / emisní cykly zpomalující atom.

Dopplerovo chlazení proto využívá frekvenční posun zavedený Dopplerovým jevem k cílení pouze na atomy šířící se ve směru laseru a ve směru laseru. Tito proto přijímají foton energie, který způsobuje ústup atomu, což umožňuje zpomalení hmoty. hν{\ displaystyle h \ nu}

Vybuzený atom po celý život znovu emituje foton v náhodném směru . Tento směr je náhodný, má se za to, že po velmi velkém počtu absorpcí / emisí je průměrná rychlost atomu nula; ale je absolutně nenulová. Γ{\ displaystyle \ Gamma}

Dosažená rovnovážná teplota závisí na počtu absorpčních / emisních cyklů provedených za jednotku času, vyjádřených jako: kBTD=ℏΓ2{\ displaystyle k_ {B} T_ {D} = {\ frac {\ hbar \ Gamma} {2}}}

Nalezené typické teploty závisí na typu atomu. Najdeme například 40  μK pro atom helia a 180  μK pro atom rubidia.

Bibliografie

• Claude Cohen-Tannoudji , „  Chlazení atomů laserem  “ , na École Normale Supérieure

Reference

1. http://www.phys.ens.fr/~dalibard/CdF/2015/chap2.pdf