Лазерне охолодження
ЛАЗЕРНЕ ОХОЛОДЖЕННЯ, зменшення температури ансамблю атомних частинок при резонансному або квазірезонансному обміні енергією та імпульсом між атомними частинками та лазерним випромінюванням. У цьому енергія ансамблю частинок знижується, а енергія випромінювання підвищується. В атомному ансамблі, в якому фотони не поглинаються, а тільки розсіюються, лазерне охолодження можливе, якщо зростає частота розсіяних фотонів, а це відбувається при зсуві антистоксовому частоти. Відомі три механізми лазерного охолодження: доплерівське, субдоплерівське та охолодження нижче рівня віддачі.
Доплерівське охолодження. При взаємодії з лазерним випромінюванням атом поглинає фотон, переходить з основного енергетичного стану в збуджений, що призводить до зміни його швидкості на величину швидкості віддачі V = ?к/М, де ?- Постійна Планка, до = 2к/Х - хвильовий вектор, Х довжина хвилі випромінювання, М – маса атома. Атом може повернутися у вихідний стан при вимушеному чи спонтанному випромінюванні фотона. При вимушеному випромінюванні фотон має таке ж значення енергії і напрямок поширення, як і поглинений фотон, що призводить до зміни зміни швидкості атома на величину υ = ħk/М. Спонтанні фотони випромінюються у довільному напрямку, тому середній внесок таких фотонів у зміну швидкості та імпульсу атома дорівнює нулю. Таким чином, імпульс фотона передається атому при стимульованому поглинанні та подальшому спонтанному випромінюванні фотона. При багаторазовому повторенні цього циклу зміна імпульсу атома дорівнює Δр = N?k, де N - число циклів. Якщо напрям руху атома протилежний напрямку лазерного променя, відбувається уповільнення атома. Наприклад, атом Na при кімнатній температурі має швидкість близько 10 5 см/с, а швидкість віддачі = 3 см/с, тому, щобзменшити швидкість атома до нульового значення, необхідно реалізувати близько 10 4 циклів «поглинання – спонтанне випромінювання».
При уповільненні атома лазерним випромінюванням виникає доплерівське зрушення між частотою поглинання атома і частотою лазерного випромінювання, який зменшує ефективність перевипромінювання атомом лазерних фотонів і, відповідно, ефективність процесу уповільнення атома. Доплерівський зсув усувають, змінюючи частоту лазерного випромінювання або частоту атомного переходу (наприклад, магнітному полі) в процесі уповільнення атома.
З випромінюванням взаємодіють в повному обсязі атоми, лише ті, які мають швидкість поблизу резонансу поглинання. Ці атоми уповільнюються і через ефект Доплера виходять із резонансу з випромінюванням. Якщо безперервно підлаштовувати частоту лазера, забезпечуючи постійний резонанс атомів з випромінюванням, відбувається уповільнення всіх атомів зі швидкістю, рівної проекції швидкості на напрям лазерного променя. Застосування трьох пар взаємно перпендикулярних зустрічних лазерних променів дозволяє здійснити уповільнення всіх компонентів швидкості атомів, тобто здійснити тривимірне охолодження атомного газу. Таке лазерне охолодження називається доплерівським охолодженням. Процеси поглинання та випромінювання атомом фотонів випадкові за часом та напрямками, це призводить до випадкової зміни імпульсу атома (імпульсна дифузія) та збільшення його середньоквадратичного значення, тобто нагрівання атомного ансамблю. Мінімальна температура атомів при доплерівському охолодженні визначається рівновагою процесів лазерного охолодження та нагрівання через імпульсну дифузію. Мінімальна величина доплерівського лазерного охолодження (так звана доплерівська межа) для лужних атомів дорівнює 100 мкК.
Механізм доплерівського лазерного охолодження вільно рухаютьсянейтральних атомів та атомних іонів, локалізованих в електромагнітних пастках, вперше запропонований у 1975 році американськими вченими. Перші вдалі експерименти з лазерного охолодження атомів виконані в Інституті спектроскопії РАН у 1979-81 (В. С. Лєтохов, В. Г. Міногін, В. І. Баликін).
Субдоплерівське охолодження.Атомні частинки характеризуються внутрішніми ступенями свободи (електронні конфігурації та спин) та зовнішніми (імпульс і положення центру мас). Сильний взаємозв'язок між динамікою внутрішніх та зовнішніх ступенів свободи лежить в основі лазерного охолодження нижче за доплерівську межу. При доплерівському лазерному охолодженні передбачалося, що атом є невиродженою квантовою дворівневою системою, а лазерне поле - просторово однорідним і неполяризованим. У реальному експерименті зустрічні лазерні промені (охолоджуючі ансамбль атомів) можуть утворювати неоднорідні розподіли поля, а атомні стани є багаторівневими та виродженими по зееманівських підрівнях. Наприклад, зустрічні лазерні промені з ортогональною поляризацією утворюють поля з поляризацією, що періодично змінюється в просторі. Атом виявляється в періодичному потенціалі, що залежить від магнітного рівня. Рухаючись у такому потенційному полі, атом періодично підніматиметься вгору, і спускатиметься вниз між мінімумами та максимумами потенціалу, при цьому його потенційна енергія перетворюється на кінетичну та навпаки. Якщо частота лазерного поля менша за частоту атомного переходу, то в максимумі потенціалу існує велика ймовірність того, що атом, випустивши спонтанний фотон, перейде на інший магнітний підрівень (оптична накачування), де атом має мінімум потенціалу. Різниця в потенційній енергії забирається спонтанно випущеним фотоном. Мінімальна температураохолодження атомів визначається енергією віддачі фотону; ця температурна межа лазерного охолодження називається однофотонною межею охолодження атомів, а механізм охолодження - субдоплерівським лазерним охолодженням. Однофотонна межа охолодження лужних атомів становить величину близько 1 мкК. Субдоплерівське лазерне охолодження вперше спостерігали з атомами Na в Національному інституті стандартів та технологій США у 1988 (У. Філліпс).
Охолодження нижче рівня віддачі.У більшості схем лазерного охолодження цикл «вимушене поглинання - спонтанне випромінювання фотона» ніколи не припиняється. Оскільки імпульс фотона ħk, що передається атому спонтанно випущеним фотоном, є випадковим, зменшити розкид імпульсу атома δр нижче імпульсу фотона неможливо. Однак вибором спеціальних конфігурацій лазерних полів, певних типів атомів та умов їх взаємодії можна подолати цю межу і досягти температури нижче за рівень віддачі. Основна ідея лазерного охолодження нижче за рівень віддачі полягає в тому, щоб в імпульсному просторі поблизу нульової швидкості атома створити невелику область, де ймовірність поглинання фотонів і швидкість перевипромінювання спонтанних фотонів прагне нуля. Атом у лазерному полі, здійснюючи вимушене поглинання - спонтанне випромінювання фотона, «блукає» в імпульсному просторі, що може призвести до швидкостей υ = 0, коли він уже не поглинає фотони і захищений від «шкідливого» впливу світла. Такий тип охолодження атома обумовлений комбінацією імпульсної дифузії та обертання в нуль частоти перескоків випадкових блукань при ? → 0. Існують дві схеми лазерного охолодження нижче однофотонного рівня віддачі: раманівське охолодження та охолодження на основі селективного за швидкостями когерентів. Раманівське охолодженнявперше спостерігалося з атомами Na у Станфордському університеті США у 1992 (С. Чу). Досягнута температура становить близько 100 нК, що відповідає 1/10 віддачі енергії.
У 1997 С. Чу, У. Філліпсу та К. Коен-Таннуджі була присуджена Нобелівська премія за розвиток методів лазерного охолодження та полону нейтральних атомів.
Розроблені методи лазерного охолодження атомів та подальшого їхнього полону використовуються у спектроскопії надвисокої роздільної здатності; при отриманні нових станів речовини, таких як Бозе – Ейнштейна конденсація та квантовий фермі-газ; для нових поколінь квантових стандартів частоти; в атомній літографії з нанометровою роздільною здатністю.
Літ.: Баликін В. І., Летохов В. С., Міногін В. Г. Охолодження атомів тиском лазерного випромінювання // Успіхи фізичних наук. 1985. Т. 147. № 9; Міногін Ст Р., Летохов Ст С. Тиск лазерного випромінювання на атоми. М., 1986; Казанцев А. П., Сурдутович Г. І., Яковлєв В. П. Механічна дія світла на атоми. М., 1991; Balykin V. I., Minogin V. G., Letokov V. S. Electromagnetic trapping of cold atoms // Reports on Progress in Physics. 2000. Vol. 63. № 9.