Доплеровское и субдоплеровское охлаждение

Доплеровское охлаждение замедляет атомы, используя зависимое от скорости радиационное давление расстроенных лазерных лучей, в то время как субдоплеровские механизмы используют структуру внутреннего состояния для достижения еще более низких температур.

Definition

Доплеровское охлаждение — это лазерное охлаждение, при котором доплеровский сдвиг заставляет атом рассеивать больше фотонов из луча, противодействующего его движению, чем из луча, способствующего ему, создавая силу демпфирования скорости; субдоплеровское охлаждение относится к механизмам, таким как охлаждение с градиентом поляризации, которые достигают температур ниже доплеровского предела, используя внутреннюю подуровневую структуру атома.

Scope

Эта тема охватывает основные механизмы лазерного охлаждения свободных атомов: доплеровское охлаждение во встречно распространяющихся красных расстроенных пучках, конфигурацию оптической патоки, доплеровский предел охлаждения, установленный отдачей фотонов, и субдоплеровские механизмы — главным образом охлаждение с градиентом поляризации (Сизифово охлаждение) — которые используют множественные основные подуровни и оптическую накачку для охлаждения ниже этого предела вплоть до предела отдачи.

Core questions

• Как красная расстройка лазеров создает зависимую от скорости охлаждающую силу?
• Что такое оптическая патока и каков доплеровский предел охлаждения?
• Почему реальные эксперименты достигают температур ниже доплеровского предела?
• Как работает охлаждение с градиентом поляризации (Сизифово охлаждение)?

Key concepts

• Сила радиационного давления (рассеяния)
• Красная расстройка и доплеровский сдвиг
• Оптическая патока
• Доплеровский предел охлаждения
• Охлаждение с градиентом поляризации (Сизифово охлаждение)
• Предел отдачи

Key theories

Доплеровское охлаждение и оптическая патока

В трех парах встречно распространяющихся красных расстроенных пучков движущийся атом видит противодействующий пучок, доплеровски сдвинутый к резонансу, и рассеивает больше его фотонов, создавая вязкую демпфирующую силу; остаточный нагрев от отдачи фотонов устанавливает температуру доплеровского предела.

Охлаждение с градиентом поляризации (Сизифово охлаждение)

В пространственно изменяющейся поляризации света атом многократно оптически накачивается на подуровень с более низкой энергией после подъема на потенциальный холм, теряя кинетическую энергию в каждом цикле и охлаждаясь значительно ниже доплеровского предела, как объяснили Далибар и Коэн-Таннуджи.

Clinical relevance

Доплеровское и субдоплеровское охлаждение являются первыми этапами в получении холодных атомных образцов, используемых в оптических атомных часах, атомных интерферометрах и квантовых технологиях, а открытие того, что реальные температуры опускались ниже предсказанного доплеровского предела, непосредственно стимулировало теорию субдоплеровского охлаждения.

History

Предложенное Хэншем и Шавловым в 1975 году и продемонстрированное как оптическая патока группой Чу в 1985 году, доплеровское охлаждение, как ожидалось, достигнет предела в несколько сотен микрокельвинов. Когда группа Филлипса измерила температуры значительно ниже этого в 1988 году, Далибар и Коэн-Таннуджи объяснили это удивление в 1989 году через охлаждение с градиентом поляризации.

Key figures

• Theodor Hänsch
• Arthur Schawlow
• Claude Cohen-Tannoudji
• Jean Dalibard

Seminal works

• hansch1975
• dalibard1989

Frequently asked questions

Что такое доплеровский предел охлаждения?

Это самая низкая температура, которую может достичь только доплеровское охлаждение, устанавливаемая балансом между охлаждением и нагревом от случайной отдачи спонтанно испускаемых фотонов. Для типичных атомных переходов она соответствует нескольким сотням микрокельвинов.

Почему это называется Сизифовым охлаждением?

При охлаждении с градиентом поляризации атом многократно поднимается на потенциальный холм, теряя кинетическую энергию, а затем оптически накачивается обратно к подножию другого холма — вечно поднимаясь, как мифологический Сизиф — так он постоянно теряет энергию и охлаждается.