Принцип лазерного охолодження та його застосування до холодних атомів

Принцип лазерного охолодження та його застосування до холодних атомів

У фізиці холодного атома багато експериментальної роботи вимагає керування частинками (ув’язнення іонних атомів, таких як атомний годинник), уповільнення їх руху та підвищення точності вимірювань. З розвитком лазерної технології лазерне охолодження також почало широко використовуватися в холодних атомах.

У атомному масштабі суть температури — це швидкість, з якою рухаються частинки. Лазерне охолодження — це використання фотонів і атомів для обміну імпульсом, таким чином охолоджуючи атоми. Наприклад, якщо атом має швидкість руху вперед, а потім він поглинає фотон, що летить у протилежному напрямку, то його швидкість сповільниться. Це схоже на м’яч, що котиться вперед по траві, якщо його не штовхають інші сили, він зупиниться через «опір», спричинений контактом із травою.

Це лазерне охолодження атомів, і процес являє собою цикл. І саме через цей цикл атоми продовжують охолоджуватися.

При цьому найпростішим охолодженням є використання ефекту Доплера.

Однак не всі атоми можна охолодити за допомогою лазерів, і для цього необхідно знайти «циклічний перехід» між атомними рівнями. Лише за допомогою циклічних переходів можна досягти охолодження та тривати безперервно.

Зараз, оскільки атом лужного металу (наприклад, Na) має лише один електрон у зовнішньому шарі, а два електрони в самому зовнішньому шарі лужноземельної групи (такому як Sr) також можна розглядати як одне ціле, енергія рівні цих двох атомів дуже прості, і легко досягти «циклічного переходу», тому атоми, які зараз охолоджуються людьми, здебільшого є простими атомами лужних металів або лужноземельних атомів.

Принцип лазерного охолодження та його застосування до холодних атомів