Laserové chlazení atomů

Chlazení atomů od laseru je technika, která umožňuje ochladit atomové plynu na teploty řádově mK ( chlazení Doppler ) nebo dokonce v řádu Microkelvin (Sisyphus chlazení) nebo dokonce nanokelvin.

Takto získané ultra studené plyny tvoří sestavu koherentních atomů, což umožňuje provádět mnoho experimentů, které byly do té doby pouze myšlenkovými experimenty , jako je interference hmotných vln. Pomalost ultra studených atomů také umožňuje stavět atomové hodiny bezkonkurenční přesnosti.

Přeneseni fází ochlazování odpařováním se dokonce dostáváme do režimu kvantové degenerace: bosonové plyny tvoří Bose-Einsteinův kondenzát , fermiony degenerovaný plyn Fermi. Tato technika získala v roce 1997 Nobelovu cenu za fyziku Claude Cohen-Tannoudji , Steven Chu a William D. Phillips .

Chlazení

Zásada

Teplota sestavy atomů odpovídá takzvanému tepelnému míchání, které zde převládá: je spojeno s mikroskopickými rychlostmi, které si atomy zachovávají, navzdory zjevné nehybnosti sestavy v makroskopickém měřítku. Podle modelu ideálního plynu umožňuje popis distribuce rychlostí atomů podle Maxwellovy-Boltzmannovy statistiky získat následující výsledek:

3kbT=mprotiq2{\ displaystyle 3k_ {b} T = mv_ {q} ^ {2}}

kde je kvadratická rychlost atomů sestavy a Boltzmannova konstanta. protiq{\ displaystyle v_ {q}}kb{\ displaystyle k_ {b}}

Dosažení teploty blízké absolutní nule (0 K) proto spočívá v tom, že rychlosti atomů mají sklon k nule. Postačí tedy vyvinout na každý atom sestavy sílu úměrnou jeho rychlosti , opačné k ní, formy:proti→{\ displaystyle {\ vec {vb}}}

F→=-αproti→{\ displaystyle {\ vec {f}} = - \ alpha {\ vec {v}}}

Skutečnost, že zanedbáme působení gravitace, vyplývá z rovnice dynamiky  :

mdproti→dt=-αproti→{\ displaystyle m {\ frac {d {\ vec {v}}} {dt}} = - \ alpha {\ vec {v}}}

je :

proti→=proti→0 E(-α/m)t{\ displaystyle {\ vec {v}} = {\ vec {v}} _ {0} \ e ^ {(- \ alfa / m) t}}

Poznámka  : a priori , podle výše uvedeného dynamického vztahu, neexistuje žádný limit pro snížení rychlosti atomů, a tedy ani teploty. Uvidíme, že ve skutečnosti existuje další konstantní člen ve vztahu, který řídí vývoj kvadratické rychlosti, a tedy i teploty, což zahrnuje existenci prahové hodnoty přístupných teplot.

Interakce atomu s dopadajícím rezonančním zářením

Uvažujeme atom v rezonančním dopadajícím laserovém paprsku: jeho frekvence může umožnit atomový přechod mezi dvěma energetickými hladinami a buďν0{\ displaystyle \ nu _ {0}}Ena{\ displaystyle E_ {a}}Eb{\ displaystyle E_ {b}}

ν0=Eb-Enah{\ displaystyle \ nu _ {0} = {\ frac {E_ {b} -E_ {a}} {h}}}

Fenomény absorpce a spontánní emise mohou vést k síle, která tlačí atom ve směru šíření vlny, a proto umožňuje jeho manipulaci.

Rychlost zpětného rázu

Tyto fotony jsou každý vybaven hybnosti hodnotě , se v Planckova konstanta , frekvence fotonu a na rychlosti . hνvs.{\ displaystyle {\ frac {h \ nu} {c}}}h{\ displaystyle h}ν{\ displaystyle \ nu}vs.{\ displaystyle c}

Při nárazu na atom tento ustupuje ve směru šíření dopadající vlny. Zachování hybnosti dává

mΔproti=hνvs.{\ displaystyle m \ Delta v = {\ frac {h \ nu} {c}}}

Atom se potom deaktivuje spontánní emisí. Znovu se stáhne s

mΔproti=hνvs.{\ displaystyle m \ Delta v = {\ frac {h \ nu} {c}}}

ale tentokrát v náhodném směru. Abychom změřili důležitost tohoto jevu, zavedeme charakteristickou rychlost, známou jako rychlost zpětného rázu. Představuje rychlost získanou atomem zpočátku v klidu absorpcí nebo emisí fotonu, tj.

PROTIR=hνmvs.{\ displaystyle V_ {R} = {\ frac {h \ nu} {mc}}}

Například pro atom rubidia , běžně používaný při manipulaci se studenými atomy, máme a buď m=1.45×10-25kG{\ displaystyle m = 1,45 \ krát 10 ^ {- 25} kg}λ=0,78μm{\ displaystyle \ lambda = 0,78 \ mu m}

PROTIR=hνmvs.=6mm.s-1{\ displaystyle V_ {R} = {\ frac {h \ nu} {mc}} = 6 {\ mbox {mm.s}} ^ {- 1}}

Při pokojové teplotě však tepelné míchání dává molekulám plynu rychlost řádově 300  m s -1 . Působení absorpce proto málo narušuje pohyb atomu. Pouze použití rezonančního laserového světla umožňuje kombinovat účinek fluorescenčního cyklu (absorpce / spontánní emise) a efektivně využívat tento jev k působení na atom.

Radiační tlak

Když je atom vystaven dopadajícímu rezonančnímu laserovému záření, atom absorbuje foton, a proto ustupuje ve směru šíření vlny. Pak se zbaví energie a opět ustoupí , ale náhodným směrem. Protože je atom vždy vystaven dopadajícímu záření, bude tak neustále absorbovat a poté emitovat fotony. PROTIR{\ displaystyle V_ {R}}

U 87 izotopu rubidia, protože životnost excitovaného stavu je řádově 10 - 8  s , atom zbývající na rezonanci provede v průměru 108 cyklů za jednu sekundu. V prvním přístupu dochází pouze k akci absorpce, protože vždy probíhá ve stejném směru, zatímco účinek spontánní emise je v průměru nulový. Poté můžeme posoudit zrychlení atomu. Změna jeho rychlosti za jednu sekundu má hodnotu 108 , což je počet absorpcí za jednu sekundu, vynásobený změnami jeho rychlosti během absorpce, přibližně 10 − 2  m s −1 . Atom tedy nakonec prochází zrychlením řádově 10 6  m s −2 .

To umožňuje zastavit atomy, které mají počáteční rychlost několik set metrů za sekundu za několik milisekund, na několik metrů, a umožňuje manipulaci s pomalými atomy v laboratoři.

Například atom rubidia přejde z počáteční rychlosti 300  m s -1 na přibližně 10  m s -1 absorbováním 50 000 fotonů. Protože životnost použité excitované hladiny je malá, 27 ns, trvá to 3 ms a atom se zastaví na 1 metr.

Síla, která je výsledkem akumulace všech těchto postupných fluorescenčních cyklů, se nazývá rezonanční tlaková akce.

Dopplerovo chlazení

Uvidíme, jak použití síly tlaku záření, spolu s Doppler-Fizeauovým efektem , umožňuje ochladit sestavu atomů.

Budeme používat lasery, které v laboratoři budou mít puls . Když je atom v pohybu a pohybuje se rychlostí (zanedbatelnou před c) vzhledem k laboratoři, bude se mu vlna jevit s mírně odlišnou frekvencí (větší, pokud se přiblíží k laseru, menší, pokud od něj ). ωL{\ displaystyle \ omega _ {L}}proti→{\ displaystyle {\ vec {vb}}}ω=ωL-k→.proti→{\ displaystyle \ omega = \ omega _ {L} - {\ vec {k}}. {\ vec {v}}}

Vezměme si dva tváří v tvář, šířící se lasery vyladěné na stejnou frekvenci menší než rezonanční frekvence a atom mezi nimi. Pokud je atom stacionární, situace je symetrická, tlaková síla je nulová. Představte si, že se atom pohybuje doprava. Laser napravo se mu bude jevit jako mající frekvenci , tedy blíže k rezonanci než . Na druhou stranu se bude zdát, že laser vlevo bude mít pulzaci , dále od rezonance. Atom proto absorbuje mnohem více fotonů přicházejících zprava než zleva, a bude proto obecně tlačen zpět doleva a zpomalen. ωL{\ displaystyle \ omega _ {L}}ω0{\ displaystyle \ omega _ {0}}ω=ωL+kproti{\ displaystyle \ omega = \ omega _ {L} + kv}ωL{\ displaystyle \ omega _ {L}}ω=ωL-kproti{\ displaystyle \ omega = \ omega _ {L} -kv}

Potom stačí nainstalovat 6 paprsků, vyladěných dva po dvou, jak bylo řečeno výše, podle tří směrů prostoru, aby se vytvořila optická melasa, ve které je atom vystaven tekutinové třecí síle . F→=-αproti→{\ displaystyle {\ vec {f}} = - \ alpha {\ vec {v}}}

Trapping

Pro získání lepších experimentálních výsledků je nutné soustředit soustavu atomů do omezeného objemu: to je past. Trapping má vyvinout zpětnou sílu na atomy formy (kde je vektor polohy atomu) . r→{\ displaystyle {\ vec {r}}}F→′=-K.r→{\ displaystyle {\ vec {f}} '= - K {\ vec {r}}}

Aplikace

• Atomové hodiny
• Atomová interferometrie
• Bose-Einsteinův kondenzát
• Experimentální fyzika

Podívejte se také

Související články

• Claude Cohen-Tannoudji
• Bose-Einsteinův kondenzát
• Fermionový kondenzát
• Chlazení odpařováním
• Magnetooptická past
• Optická melasa
• Ramanovo chlazení

externí odkazy

• webové stránky skupiny Cold Atoms ENS
• Konference Clauda Cohena-Tannoudjiho o chlazení atomů laserovým zářením na Univerzitě všech znalostí

Bibliografie

• (en) PD Lett, WD Phillips, SL Rolston, CE Tanner, RN Watts a CI Westbrook, „  Optical melasa  “ , JOSA B , sv.  6, n O  11,1989, str.  2084–2107 ( DOI  10.1364 / JOSAB.6.002084 )
• Claude Cohen-Tannoudji , „  Chlazení atomů laserem  “ , na École Normale Supérieure

Reference

1. (in) Catchpole, Heather, „  Cosmos Online - Verging is absolute zero  “ ,4. září 200