Bosse laser – wikipedia

Avec Refroidissement au laser sont utilisés pour désigner des processus qui refroidissent les gaz ou les rayons nucléaires avec une lumière laser. Il est exploité qu’une impulsion puisse être transmise par la lumière. ^[d’abord] En 1997, le prix Nobel de physique a été décerné à Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji et William D. Phillips pour le développement du coin laser.

La température d’un gaz est exprimée dans le mouvement (désorganisé) des atomes, voir la théorie cinétique de l’invité: plus la vitesse moyenne des atomes dans un gaz, plus elle est chaude. La vitesse des atomes peut être réduite par des bombardements habiles avec des quanta légers (photons). Si un photon frappe un atome, le photon peut être absorbé et un électron à manches va dans un état vivant. Cela peut «se désintégrer» (émission spontanée) après un certain temps, un photon est libéré dans une direction aléatoire (voir la fluorescence de résonance). En raison de la préservation de l’impulsion, l’atome reçoit un petit recul pour chaque absorption et émission.

Si vous irradiez maintenant les atomes avec un laser, chaque atome unique peut saupoudrer un très grand nombre de photons les uns après les autres. Le recul pendant l’absorption va toujours dans la même direction et a donc un grand effet en moyenne à travers de nombreux écrans de photons, tandis que le recul se produisant pendant l’émission va toujours dans une direction différente et annule avec le temps.
L’utilisation de l’effet Doppler peut être obtenue que les atomes qui sont irradiés avec la lumière laser de toutes les directions absorbent principalement les photons du faisceau auquel ils se déplacent. La force résultante est opposée à la direction du mouvement des atomes et la freine ainsi. La vitesse moyenne diminue avec le temps, le gaz devient plus froid. ^[2]

Refroidir dans le système à double état [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Processus possibles dans l’absorption et la rérémission des photons

Vous utilisez une transition spécifique dans le spectre atomique (souvent une transition de structure hyper-fine), qui peut être considérée comme un simple système à double état. Par rayonnement à partir de photons résonnants (par exemple la lumière laser), la sortie ou l’état de base peut

(voir la notation BRA-Ket) dans le vivant

Condition. L’état vivant

Après un court laps de temps, dans deux espèces possibles dans l’état de base

Retour: D’une part, des émissions stimulées sont possibles, d’autre part, des émissions spontanées. Dans les deux processus, un photon est réémuré par l’atome excité.

Puissance dépendante de la vitesse lors du refroidissement au laser

Dans le cas de l’émission stimulée, il n’y a pas de transfert d’impulsion nette vers l’atome, car un photon de la même énergie est rayonné vers le photon brillant. Cependant, l’atome tombe spontanément de l’état de stimulation

Dans l’état de base

De retour, la direction de la réémission est aléatoire. Étant donné que les photons avaient une direction préférée dans le rayonnement, les atomes sont lentement accélérés / ralentis dans cette direction. Si vous rayonnez la lumière laser de tous les espaces de manière contrôlée, vous pouvez freiner tous les atomes – peu importe dans quelle direction ils se déplacent. Pour ce faire, utilisez trois couples deux rayons laser opposés qui se tiennent verticalement les uns sur les autres.

Étant donné que les atomes “chauds” se déplacent, la fréquence de la lumière dans le système de laboratoire ne les affecte pas, mais une fréquence s’est déplacée en raison de l’effet Doppler. Vous devez donc rayonner la lumière sur la fréquence de résonance de la lumière de transition pour stimuler ce cycle d’absorption ou de réémylement. Avec un certain bouleversement de la lumière laser, vous choisissez des atomes à une certaine vitesse. Cette sélection n’est pas “tranchante” car l’atome a un profil d’absorption sous la forme d’une courbe de Lorentz et donc une certaine largeur de ligne. En cas de décalage rouge dans la lumière brillante, le processus n’affecte que les atomes qui se déplacent vers le faisceau laser.

Cependant, si vous utilisez deux rayons laser opposés à rouge dans une dimension de pièce, il y a une force dépendante de la vitesse qui pour Atomes avec

Travaux et freins (voir graphique à droite). Autour des atomes par rapport aux trois dimensions de la pièce (

) Pour refroidir, vous utilisez six – par paires en face des rayons laser. Les couples se tiennent verticalement. Cette configuration du laser est comme mélasse optique (Engl. mélasse optique ) décrit car il agit comme un liquide dur et ralentit ainsi les atomes.

La limite de ce processus de refroidissement est donnée par la température Doppler si appelée et est généralement située dans la zone d’environ 100 μk ^[3] . La cause de cette limite inférieure est deux processus de chauffage qui apparaissent toujours lors du refroidissement. Le premier découle du mouvement des tremblements des atomes dus à l’émission spontanée ^[4] . La seconde est causée par le tir de la lumière du laser incident. Pour les atomes de rubidium, la température Doppler est d’environ 140 μK.

Ce processus permet aux atomes en question de refroidir, mais il ne peut pas les garder dans un endroit. En raison de la vitesse résiduelle (limite Doppler), vous pouvez diffuser à partir de la zone de refroidissement. C’est pourquoi vous développez la procédure pour le piège magnéto-optique (MOT), dans lequel les atomes sont toujours capturés dans un champ magnétique et restent donc localement localisés. Avec lui, vous pouvez également atteindre des températures plus profondes que la limite Doppler.

À l’aide de l’effet Zeeman, la transition atomique dans un champ magnétique peut être compensée afin que le décalage Doppler soit compensé. Le soi-disant Zeeman-Lower utilise ce mécanisme pour freiner un rayon d’atomes plus rapides.

Vrais atomes et pompes [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Hyper Fine Structure de la ligne D2 de ⁸⁵ RB

Pour le refroidissement, un système de deux états est nécessaire, de sorte qu’une transition est stimulée par la stimulation avec des photons, qui ne peuvent se désintégrer que dans l’état initial. Ceci est toujours disponible dans le système à double état. Cependant, vous utilisez des systèmes en laboratoire qui ne sont pas un système à double état parfait, et il y a donc toujours la chance que les atomes s’effondrent dans un état dans lequel ils ne résonnent plus à la lumière brillante (état sombre, anglais. état sombre ) et ainsi perdu du cycle. Dans l’image à droite, vous pouvez voir la traversée Rubidium qui est utilisée pour le refroidissement car elle est située dans l’infrarouge à proximité (environ 780 nm) et les lasers de cette longueur d’onde sont bien disponibles. L’état vivant de la traversée de refroidissement (dessinée en bleu) se désintégre en 1 000 cycles dans les inférieurs ² S _1/2 -Condition F = 2 au lieu de F = 3 , à partir duquel il doit être ramené avec un laser à pompe arrière (souvent désinvolte “Repumper”). La désintégration ne se produit pas directement parce que la transition F = 4 après F = 2 interdit est ( F = 0, ± 1 , voir la règle de sélection), mais le laser stimule en raison de la largeur de ligne assez grande de la transition nucléaire (env. dix MHz) également le ² P _3/2 , F = 3 État qui peut ensuite tomber dans l’état de base inférieur. Le laser de la pompe arrière soulève les atomes de l’état de base inférieur ² P _3/2 , F = 3 à (voir dessin), à partir de laquelle vous pouvez ensuite revenir dans le cycle proposé (mince décomposition en rouge-Drawn).

Ceci est utilisé pour comprimer les atomes plus que ce qui ne serait généralement possible dans un soi-disant moteur de spot foncé.

Il existe plusieurs façons de refroidir un atome à la température Doppler. Dans une mélasse optique, un atome mobile est périodiquement pompé d’avant en arrière entre différents niveaux magnétiques inférieurs dans une onde de décrochage optique, par laquelle la cinétique est convertie en énergie potentielle. Ce refroidissement sisyphonique si appelé est plus efficace à petites vitesses que le refroidissement du Doppler et peut refroidir les atomes à la limite de recul. Cette limite correspond à l’énergie qu’un atome de repos absorbe lorsqu’elle absorbe un photon.

Les atomes peuvent être refroidis sous la limite de recul en s’assurant que les atomes respiratoires ne changent plus la lumière laser. C’est z. B. réalisé par le fait que les atomes sont refroidis dans un état sombre dépendant de la vitesse. Cette procédure est comme VSCPT par l’anglais Velocity sélective Piénage de population cohérente désigné.

Étant donné que la température Doppler ne dépend que de l’évolution spontanée, c’est-à-dire de la durée de vie de l’état vivant, vous pouvez utiliser certains atomes, par ex. B. Dans le cas des métaux terre-alkali, atteignent également des températures extrêmement basses avec une deuxième étape de refroidissement Doppler sur un transfert d’intercombination très durable.

Pour atteindre des températures encore plus profondes, dans lesquelles la dégénérescence mécanique quantique du gaz atomique peut être observée, la méthode de refroidissement par évaporation est utilisée.

Le refroidissement de la bande latérale est une méthode de refroidissement au laser lié au doppler cool, qui n’est généralement pas appliqué aux gaz atomiques, mais sur les ions individuels dans une chute ionique. Il est utilisé que les particules ne peuvent pas se déplacer librement dans un tel cas, mais ne peuvent occuper que des états de vibration discrets. Dans ce cas, l’ion peut non seulement absorber la lumière sur sa fréquence de résonance, mais aussi avec les fréquences, la distance à la fréquence de résonance qui correspond à la distance d’énergie des niveaux de vibration voisin. Ceux-ci sont appelés une bande latérale bleue et rouge. Ces sangles latérales correspondent approximativement au décalage Doppler dans le cas des atomes libres du coin laser.
Dans le cas le plus simple, un ion est stimulé sur la bande latérale rouge et son stimulus de vibration diminue d’un quant. L’état excité de l’ion se désintégre ensuite spontanément, par lequel des transitions sur la fréquence de résonance ou sur l’une des bandes latérales sont possibles. Ensuite, l’ion est de retour à l’état de base, mais (avec une forte probabilité), l’énergie de vibration a perdu. Idéalement, ce cycle est répété jusqu’à ce que l’ion atteigne l’état de vibration le plus bas possible. Cela peut être reconnu expérimentalement par le fait qu’aucune fluorescence ne se produit sur la bande latérale rouge.
En pratique, les transitions optiques sont généralement utilisées dans lesquelles l’état excité a une très longue durée de vie. Il n’est donc pas possible d’attendre la décroissance spontanée de l’état excité. Vous utilisez ensuite un ou plusieurs lasers de pompe arrière, ce qui peut ramener l’ion à l’état de base plus rapidement via un autre état intermédiaire.

1. ↑ Bases du refroidissement au laser. 23. juin 2020, consulté le 19 janvier 2023 .
2. ↑ Dieter Suter, Götz Wichig: Forces légères et refroidissement au laser. Dans: Conférence Expérimentale Physique III. Ici Dortmund, consulté le 19 janvier 2023 .
3. ↑ Harold J. Metcalf, Peter van der Straten: Refroidissement au laser et piégeage , Springer Publisher, 1999, IBSBN 0-387-98728-2, pilule 58-59
4. ↑ Bien sûr, l’émission stimulée conduit également à un mouvement de tremblement, mais il ne crée pas de filet de freinage car les deux photons émis pointent dans la même direction que les photons absorbés précédemment. Par conséquent, on peut supposer que seule des émissions spontanées conduisent à la limite de température.