Chłodzenie Syzyfa

Fizyczna zasada stygnięcia Syzyfa : Atomy biegną wbrew energii potencjalnej, zostają wzbudzone do wyższego pasma, po czym wracają do stanu niskoenergetycznego (tj. „stanu”), zawsze po lewej stronie, z której po półtora „czerwonego” lub „niebieskiego” okresu, powiedzmy, działania lasera, ponownie ulegają wzbudzeniu i odwzbudzeniu, teraz od „stanu czerwony” na „niebieski”, po prawej stronie itp.

W fizyce ultraniskich temperatur chłodzenie Syzyfa , efekt Syzyfa lub chłodzenie gradientem polaryzacji polega na użyciu specjalnie dobranego światła laserowego , uderzającego w atomy pod różnymi kątami w celu zarówno schłodzenia, jak i uwięzienia ich w studni potencjału, skutecznie tocząc atom w dół wzgórze energii potencjalnej , aż do utraty energii kinetycznej . Jest to rodzaj laserowego chłodzenia atomów wykorzystywany do osiągania temperatur poniżej granicy chłodzenia Dopplera . Ta metoda chłodzenia została po raz pierwszy zaproponowana przez Claude'a Cohena-Tannoudjiego w 1989 roku, motywowana wcześniejszymi eksperymentami, w których zaobserwowano, że atomy sodu schłodziły się poniżej granicy Dopplera w optycznej melasie . Cohen-Tannoudji otrzymał część Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1997 roku za swoją pracę. Technika ta została nazwana na cześć Syzyfa , postaci z mitologii greckiej , która była skazana na wieczność na wtoczenie kamienia na górę tylko po to, by ponownie się stoczył, gdy tylko zbliży się do szczytu.

metoda

Chłodzenie Syzyfa można osiągnąć, oświetlając próbkę atomu dwiema przeciwbieżnymi wiązkami laserowymi o ortogonalnej polaryzacji. Atomy poruszające się w potencjalnym krajobrazie wzdłuż kierunku fali stojącej tracą energię kinetyczną, gdy zbliżają się do potencjalnego maksimum, w którym to momencie pompowanie optyczne przenosi je z powrotem do stanu o niższej energii, obniżając w ten sposób całkowitą energię atomu. Ten opis chłodzenia Syzyfa jest w dużej mierze oparty na opisie Foota.

Zasada chłodzenia syzyfa

Przeciwne propagowanie się dwóch laserów spolaryzowanych ortogonalnie generuje falę stojącą w polaryzacji z gradientem między $σ$ światło spolaryzowane kołowo w lewo), liniowym i $\ textstyle \ sigma +$ ( światło spolaryzowane kołowo w prawo) wzdłuż fali stojącej. Zauważ, że ta przeciwna propagacja nie tworzy fali stojącej pod względem intensywności, ale tylko w polaryzacji. Ten gradient występuje w skali długości ${\ textstyle {\ Frac {\ lambda} {2}}}$ , a następnie powtarza się, odbite lustrzanie wokół płaszczyzny yz. W pozycjach, w których wiązki rozchodzące się w $kierunkach$ mają różnicę faz , polaryzacja jest kołowa, a tam, gdzie nie ma różnicy faz, polaryzacja jest liniowa W regionach pośrednich występuje gradientowa eliptyczność nałożonych pól.

${\ textstyle J'=$ atom z momentem pędu w stanie podstawowym $momentem$ pędu w stanie wzbudzonym . Podpoziomy stanu podstawowego to M $textstyle M_ {J}}$

$${\ Displaystyle M_ {J} = - {\ Frac {1} {2}}, + {\ Frac {1} {2}}}$$

a poziomy stanu wzbudzonego to ${\ textstyle M_ {J'}}$

$${\ Displaystyle M_ {J'} = - {\ Frac {3} {2}}, - {\ Frac {1} {2} },+{\frac {1}{2}},+{\frac {3}{2}}}$$

W przypadku bez pola wszystkie te poziomy energii dla każdej wartości J są zdegenerowane, ale w obecności pola światła spolaryzowanego kołowo efekt Autlera-Townesa (przesunięcie AC Starka lub przesunięcie światła) znosi tę degenerację. Zakres i kierunek tej zniesionej degeneracji zależy od polaryzacji światła. To właśnie ta zależność od polaryzacji jest wykorzystywana do przyłożenia zależnej przestrzennie siły spowalniającej do atomu.

Typowy schemat pompowania optycznego

Aby uzyskać efekt chłodzenia, musi nastąpić pewne rozproszenie energii. Reguły wyboru dla przejść dipolowych nakazują, że w tym przykładzie

$${\ Displaystyle \ Delta J = -1, + 1}$$

I

$${\ Displaystyle \ Delta M_ {J} = 0, -1, + 1}$$

ze względnymi intensywnościami określonymi przez kwadrat współczynników Clebscha-Gordana . Załóżmy $\ stan frac {1}{2}}}$ { \ ${$ w stanie ${\textstyle z=0}$ z prędkością w kierunku + z.

Atom jest teraz pompowany do $stanu$ foton i rozpada się ${\ textstyle M_ {J} = - {\ Frac {1} {2}}}$ stan podstawowy. Kluczową koncepcją jest to $,$ że w obecności , ostre przesunięcie AC obniża $}}$${\ textstyle M_ {J} = - {\ frac {1}$ dalej w energii niż stan ${\ textstyle M_ {J} = + {\ frac {1} {2}}} .$ Przechodząc od ${\ textstyle M_ {J} = + {\ Frac {1} {2}}}$ do ${2}}}$${\ textstyle M_ {J} = - {\ frac$${1}$ stan, atom rzeczywiście stracił , gdzie

$${\ Displaystyle U_ {0} = E_ {M_ {J} = + {\ Frac {1} {2}}} -E_ {M_ {J }=-{\frac {1}{2}}}}$$

w przybliżeniu równa przesunięciu AC Starka

$${\ Displaystyle U_ {0} \ simeq {\ Frac {\ hbar \ Omega ^ {2}} {4 \ delta}}}$$

gdzie omega to częstotliwość Rabi , a delta to rozstrojenie.

$światłem$ prędkością i ostatecznie przechodzi do obszaru ze . Atom, wciąż w swoim $, do$ został wpompowany, doświadcza teraz przeciwnego przesunięcia AC Starka, jak $}$$sigma$ - światło, a stan ma teraz niższą energię niż ${\ textstyle M_ {J} = - {\ Frac {1} {2}}}$ stan. Atom jest pompowany do $emituje$ foton i rozpada się ${\ textstyle M_ {J} = + {\ frac {1}{2}}}$ stan. Tak jak poprzednio $ten$ poziom energii został obniżony przez przesunięcie AC Starka, a atom traci kolejną energię.

Powtarzające się cykle tego rodzaju przekształcają energię kinetyczną w energię potencjalną, a ta energia potencjalna jest tracona przez foton emitowany podczas pompowania optycznego.

Granice

Podstawową dolną granicą chłodzenia Syzyfa jest temperatura odrzutu $,$ przez energię fotonu emitowanego podczas rozpadu ze stanu J 'do Ta granica jest

$${\ Displaystyle k_ {b} T_ {r} = {\ Frac {h ^ {2}} {M \ lambda ^ {2}}}}$$

chociaż praktycznie granica jest kilka razy większa niż wartość ze względu na wyjątkową wrażliwość na zewnętrzne pola magnetyczne w tym schemacie chłodzenia. Atomy zwykle osiągają temperatury rzędu ${\ textstyle \ mu K}$ w porównaniu z granicą Dopplera ${\ textstyle T_ {D} \ simeq 250 \ mu K}$ .

•   Metcalf, Harold J.; van der Straten, Peter (1999). Chłodzenie i pułapkowanie lasera . Skoczek. Sekcja 8.8. ISBN 9780387987286 .
• "intro_eng" . Lkb.ens.fr . Źródło 2009-06-05 .