Кіріспе
Атомдық физика әдісі жоғары фазалық кеңістік тығыздығына жету үшін Булаумен салқындату – атомдық физиканың жоғары фазалық кеңістік тығыздығына қол жеткізуге арналған әдісі, ол оптикалық салқындату әдістерімен ғана қол жеткізіле алмайтын деңгейге дейін салқындатуға мүмкіндік береді. Оптикалық немесе магниттік тұзақтарға түскен атомдар екі негізгі механизм арқылы булану арқылы салқындатылуы мүмкін, бұл механизмдер әдетте тұзақтың түріне байланысты болады: магниттік тұзақтарда радиожиіліктік (RF) өрістер жылы атомдарды тұзақтан селективті түрде шығару үшін тұзаққа түсетін және тұзаққа түспейтін спин күйлері арасындағы өтулерді туындатады; ал оптикалық тұзақтарда тұзақтың тереңдігі біртіндеп төмендетіледі, бұл тұзақтағы ең жоғары энергиялы атомдардың оптикалық кедергінің жиектерінен қашуына мүмкіндік береді. Егер тұзақтағы атомдардың жылдамдықтары Максвелл-Болцман таралымын көрсетсе, тұзақтан қашып шыққан немесе шығарылған атомдар таралымның ең жоғары жылдамдық бөлігінде орналасады, яғни олардың кинетикалық энергиясы (соответственно, температурасы) тұзақтың орташа температурасынан әлдеқайда жоғары болады. Соның салдарынан тұзақтағы атомдардың жалпы саны төмендеген сайын, қалған атомдардың орташа энергиясы да төмендейді. Атом бұлтының орташа кинетикалық энергиясының төмендеуі тұзақтың температурасының төмендеуіне және тұзақтың салқындауына әкеледі. Бұл процесті кофеді салқындату үшін оған үрлеумен салыстыруға болады: кофедегі энергия таралымының ең жоғары шегіндегі молекулалар бетінде бу құрайды, содан кейін оларды үрлеу арқылы жүйеден шығару, қалған кофе молекулаларының орташа энергиясын және температурасын төмендетеді.
Evaporative cooling is an atomic physics technique to achieve high phase space densities which optical cooling techniques alone typically can not reach. Atoms trapped in optical or magnetic traps can be evaporatively cooled via two primary mechanisms, usually specific to the type of trap in question: in magnetic traps, radiofrequency (RF) fields are used to selectively drive warm atoms from the trap by inducing transitions between trapping and non trapping spin states; or, in optical traps, the depth of the trap itself is gradually decreased, allowing the most energetic atoms in the trap to escape over the edges of the optical barrier. In the case of a Maxwell Boltzmann distribution for the velocities of the atoms in the trap, these atoms which escape/are driven out of the trap lie in the highest velocity tail of the distribution, meaning that their kinetic energy (and therefore temperature) is much higher than the average for the trap. The net result is that while the total trap population decreases, so does the mean energy of the remaining population. This decrease in the mean kinetic energy of the atom cloud translates into a progressive decrease in the trap temperature, cooling the trap. The process is analogous to blowing on a cup of coffee to cool it: those molecules at the highest end of the energy distribution for the coffee form a vapor above the surface and are then removed from the system by blowing them away, decreasing the average energy, and therefore temperature, of the remaining coffee molecules.
Радиожиілікпен пайда болатын булану
Радиожиілікпен (RF) күштің әсерінен болатын булану салқындатуы – магнитооптикалық тұзақтағы (MOT) атомдарды булану арқылы салқындатудың ең көп қолданылатын әдісі. Лазерлік салқындату арқылы |F=0⟩ – |F=1⟩ көшісінде тұтқынға алынған атомдарды қарастырайық. |F=1⟩ күйінің магниттік субдеңгейлері (|m= -1, 0, 1) сыртқы өріс жоқ болғанда дегенеративті. Тұзақтың ортасында нөлге тең болатын және басқа жерде нөлден өзгеше болатын магниттік төртполюсті өріс, тұзақ ортасынан ауытқан атомдарда Земан жылғаюын тудырады, бұл үш магниттік субдеңгейдің дегенерациясын жояды. Тұтқынға алынған атомның жалпы спиндік бұрыштық импульсі мен сыртқы магниттік өріс арасындағы өзара әрекеттесу энергиясы спиндік бұрыштық импульстің z оське проекциясына байланысты және пропорционалды. Осы қатынастан тек |m=1⟩ магниттік субдеңгейінің өріспен оң өзара әрекеттесу энергиясы болатынын көруге болады, яғни бұл күйдегі атомдардың энергиясы тұзақ ортасынан алшақтағанда артады, бұл тұзақ ортасын ең төменгі энергия нүктесіне айналдырады, бұл тұзақтың анықтамасы. Керісінше, |m=0⟩ күйінің энергиясы өріспен өзгермейді (тұтқынға алу жоқ), ал |m=-1⟩ күйінің энергиясы тұзақ ортасынан алшақтағанда төмендейді, бұл орталықты ең жоғары энергия нүктесіне айналдырады. Осы себепті |m=1⟩ күйі тұтқынға алу күйі, ал |m=0⟩ және |m=-1⟩ күйлері тұтқынға алмау күйлері деп аталады. Магниттік өріспен өзара әрекеттесу энергиясының теңдеуінен |m=1⟩ және |m=-1⟩ күйлерінің энергиясы қарама-қарсы бағытта жылғаятынын, осы екі күй арасындағы жалпы энергия айырмашылығын өзгертетінін көруге болады. Сондықтан |m=1⟩ – |m=-1⟩ көшісінің жиілігі Земан жылғаюын бастан кешіреді. Осыны ескере отырып, RF булану салқындату схемасы келесідей жұмыс істейді: |1⟩ + |-1⟩ көшісінің Земан жылғаюының шамасы магниттік өрістің күшіне байланысты, ол тұзақ ортасынан радиалды бағытта сыртқа қарай артады. Ең суық атомдар тұзақ ортасының айналасындағы кішкентай аймақта қозғалады, онда олар |1⟩ + |-1⟩ көшісінің жиілігінде аз Земан жылғаюын сезінеді. Ал жылы атомдар тұзақтың орталықтан алыс орналасқан аймақтарында уақыт өткізеді, онда магниттік өріс күштірек және Земан жылғаюы үлкенірек. Типтік MOT-та қолданылатын масштабта магниттік өрістердің әсерінен туындайтын жылғаюлар МГц шамасында болады, сондықтан |1⟩ + |-1⟩ көшісін қозғау үшін радиожиілік көзін пайдалануға болады. RF көзінің жиілігін таңдау тұтқындық потенциалы қисығының атомдар RF көзінің жиілігіне тең Земан жылғаюын сезінетін нүктесіне сәйкес келеді, содан кейін атомдар тұтқынға алуға қарсы |m=-1⟩ магниттік субдеңгейіне жетелеп, тұтқыннан бірден шығады. RF жиілігін төмендету, демек, суреттегі тік сызықты төмендетуге тең, бұл потенциалдық құдық тереңдігін тиімді түрде азайтады. Осы себепті осы энергетикалық атомдарды жою үшін қолданылатын RF көзі көбінесе «RF пышағы» деп аталады, өйткені ол тұзақтың энергия бөлісінің жоғары энергиялы бөлігін «кесіп» тастай отырып, тұзақтың тұтқындық потенциалының биіктігін тиімді түрде төмендетеді, соның арқасында ең энергетикалық атомдар тұзақтан шығарылады. Осы әдіс алғашқы эксперименттік байқалатын Бозе-Эйнштейн конденсатын (BEC) қалыптастыру үшін рубидий атомдарының бұлтын конденсациялық температурадан төмен салқындату үшін қолданылды.
.
Оптикалық булану
Бозе-Эйнштейн конденсациясының алғашқы байқалуы магниттік атом тұзағында радиожиілікпен басқарылатын булану арқылы салқындату арқылы жасалған болса, қазір конденсацияға қол жеткізу үшін оптикалық дипольдік тұзақтар әлдеқайда көп қолданылатын платформалар болып табылады. Магниттік-оптикалық тұзақтан (MOT) бастап, суық, тұтқынға түскен атомдар жоғары қуатты, тығыз фокусталған, резонанстан тыс лазер сәулесінің фокусына көшіріледі. Лазердің электр өрісі фокусында атомдарда диполь моменттерін тудыруға жеткілікті күшті, содан кейін олар лазерлік фокустағы электр өрісінің максималдығына тартылады, бұл оларды сәуле фокусында ұстауға арналған тұтқырлық потенциалын тиімді құрайды. Оптикалық дипольдік тұзақтың (ODT) оптикалық тұтқырлық потенциалының тереңдігі тұтқырлық лазерлік жарықтың қарқындылығына пропорционалды. Лазерлік сәуледегі қуатты азайту тұтқырлық потенциалының тереңдігін азайтады. Радиожиілікпен басқарылатын булану кезінде атомдарды шектейтін потенциалдық кедергінің биіктігі өзгермейді, бірақ радиожиілік «пышағы» бұл кедергінің тереңдігін азайтады, жоғарыда айтылғандай. Дегенмен, оптикалық тұзақ үшін булану лазер қуатын азайту арқылы жеңілдетіледі, осылайша тұтқырлық потенциалының тереңдігі төмендейді. Нәтижесінде, тұзақтағы ең жылу атомдар кедергі қабырғаларын жеңіп, тұзақтан шығу үшін жеткілікті кинетикалық энергияға ие болады, бұл қалған атомдардың орташа энергиясын төмендетеді, бұрын сипатталғандай. ОДТ үшін тұзақ тереңдігі шамалы болуы мүмкін (температура бойынша мК шамасында), бірақ бұл оптикалық булану процедурасының қарапайымдылығы магниттік Бозе-Эйнштейн конденсациясынан кейін көп ұзамай оның алғашқы демонстрацияларынан бастап БЭК эксперименттері үшін оны кеңінен танымал етуге көмектесті.