Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Лазерлік салқындату техникасы
Laser cooling technique
Допплер салқындатуы – затты салқындату үшін атомдардың қозғалысын тоқтатып, баяулатуға қолданылатын механизм. Бұл термин кейде лазерлік салқындатумен мағынасы бірдей қолданылады, алайда лазерлік салқындату басқа да техникаларды қамтиды.
Doppler cooling is a mechanism that can be used to trap and slow the motion of atoms to cool a substance. The term is sometimes used synonymously with laser cooling, though laser cooling includes other techniques.
Тарих
Допплерлік салқындатуды 1975 жылы бірдей екі топ ұсынды, біріншісі Дэвид Ж. Уайнланд пен Ханс Георг Демельт, ал екіншісі Теодор В. Ханш пен Артур Леонард Шаулоу. Оны алғаш рет 1978 жылы Уайнланд, Друллингер және Уоллз көрсетті, содан кейін көп ұзамай Нойхаузер, Хогенштатт, Тошек және Демельт те көрсетті. Допплерлік салқындатудың қарапайым түрі «оптикалық мелас» деп аталады, себебі диссипативтік оптикалық күш меласса арқылы қозғалатын дененің тұтқыр сүйреуіне ұқсайды. Стивен Чу, Клод Коэн-Таннуджи және Уильям Д. Филлипс 1997 жылы лазерлік салқындату және атомды тұтқындау саласындағы еңбектері үшін физика бойынша Нобель сыйлығымен марапатталды.
Doppler cooling was simultaneously proposed by two groups in 1975, the first being David J. Wineland and Hans Georg Dehmelt and the second being Theodor W. Hänsch and Arthur Leonard Schawlow. It was first demonstrated by Wineland, Drullinger, and Walls in 1978 and shortly afterwards by Neuhauser, Hohenstatt, Toschek and Dehmelt. One conceptually simple form of Doppler cooling is referred to as optical molasses, since the dissipative optical force resembles the viscous drag on a body moving through molasses. Steven Chu, Claude Cohen Tannoudji and William D. Phillips were awarded the 1997 Nobel Prize in Physics for their work in laser cooling and atom trapping.
Қысқаша түсіндірме
Допплер салқындатуы – атомдағы электрондық өтуден сәл төмен жиіліктегі жарықты қолдануды қамтиды. Жарық "қызыл" (яғни, төмен жиілікте) қалыпқа келгендіктен, Допплер эффектісінің нәтижесінде атомдар жарық көзіне қарай қозғалғанда көбірек фотондарды сіңіреді. Ең қарапайым жағдайды қарастырайық – х осіндегі 1D қозғалыс. Фотон +x бағытында, ал атом -x бағытында қозғалсын. Әрбір сіңіру кезінде атом фотонның импульсына тең импульсты жоғалтады. Қозған күйге өткен атом, +x немесе −x бағытында спонтанды түрде, бірақ кездейсоқ фотондарды шығарады. Импульс атомға қайтарылады. Егер фотон +x бағытында шығарылса, ешқандай өзгеріс болмайды; бірақ егер фотон −x бағытында шығарылса, атом −x немесе +x бағытында бұрынғыдан баяу қозғалады. Сіңіру және шығару процесінің жалпы нәтижесі – атомның жылдамдығының төмендеуі, егер оның бастапқы жылдамдығы бір фотонды шашыратудан туындаған кері импульстан жоғары болса. Егер сіңіру мен шығару процестері көп рет қайталанса, орташа жылдамдық, демек атомның кинетикалық энергиясы азаяды. Атомдар жиынтығының температурасы – кездейсоқ ішкі кинетикалық энергияның өлшемі болғандықтан, бұл атомдарды салқындатумен тең. Допплер салқындату лимиті – Допплер салқындату арқылы қол жеткізілетін ең төменгі температура.
Doppler cooling involves light with frequency tuned slightly below an electronic transition in an atom. Because the light is detuned to the "red" (i. e. at lower frequency) of the transition, the atoms will absorb more photons if they move towards the light source, due to the Doppler effect. Consider the simplest case of 1D motion on the x axis. Let the photon be traveling in the +x direction and the atom in the −x direction. In each absorption event, the atom loses a momentum equal to the momentum of the photon. The atom, which is now in the excited state, emits a photon spontaneously but randomly along +x or −x. Momentum is returned to the atom. If the photon was emitted along +x then there is no net change; however, if the photon was emitted along −x, then the atom is moving more slowly in either −x or +x. The net result of the absorption and emission process is a reduced speed of the atom, on the condition that its initial speed is larger than the recoil velocity from scattering a single photon. If the absorption and emission are repeated many times, the mean velocity, and therefore the kinetic energy of the atom, will be reduced. Since the temperature of an ensemble of atoms is a measure of the random internal kinetic energy, this is equivalent to cooling the atoms. The Doppler cooling limit is the minimum temperature achievable with Doppler cooling.
Толық түсіндірме
Белгілі бір атомға жақын орналасқан фотондардың басым көпшілігі осы атомға ешқандай әсер етпейді. Атом фотонның көптеген жиіліктеріне (түстеріне) толығымен өткізгіш. Тек бірнеше фотон ғана атоммен жиіліктердің өте тар диапазонында (ақ жарық сияқты қоспа емес, бір түс) резонансқа түседі. Осындай фотон атомға жақындағанда, атом әдетте осы фотонды (сорғылау спектрін) қысқа мерзімге сіңіріп алады, содан кейін кездейсоқ, болжауға келмейтін бағытта сол фотонмен бірдей фотонды (шығарылу спектрін) шығарады. (Атомдар мен фотондар арасындағы басқа да өзара әрекеттесулер бар, бірақ олар осы мақала үшін маңызды емес.) Лазерлердің материяның жылу энергиясын арттыратыны туралы жиі айтылатын пікір жеке атомдарды қарастырғанда дұрыс емес. Егер берілген атом дерлік қозғалмайтын болса («суық» атом), және оған бағытталған лазердің жиілігін басқару мүмкіндігі болса, көптеген жиіліктер атомға әсер етпейді – ол осы жиіліктерде көрінбейді. Атомға әсер ететін электромагниттік жиіліктегі тек бірнеше нүктелер ғана бар. Осы жиіліктерде атом лазерден фотонды сіңіріп алып, қозу электрондық күйіне өтеді және фотонның импульсін қабылдайды. Атом енді фотонның импульсін иеленгендіктен, фотон қозғалған бағытта қозғала бастауы керек. Біраз уақыттан кейін атом өздігінен фотонды кездейсоқ бағытта шығарады, төменгі электрондық күйге оралады. Егер фотон бастапқы фотонның бағытында шығарылса, атом импульсін фотонға береді және қайтадан қозғалмай қалады. Егер фотон кері бағытта шығарылса, атом сол кері бағытта импульс беруі керек, яғни атом бастапқы фотонның бағытында (импульсті сақтау үшін) екі есе жылдамдықпен одан да көп импульс алады. Бірақ көбінесе фотон басқа бағытта жылдамдықпен кетеді, атомды жаққа қарай итеріп жібереді. Жиілікті өзгертудің тағы бір жолы – лазердің орналасуын өзгерту, мысалы, осы атомның «резонанстық» жиіліктерінің бірінен сәл төмен жиіліктегі монохроматикалық (бір түсті) лазерді пайдалану (бұл жиілікте лазер атомның күйіне тікелей әсер етпейді). Егер лазер бақыланатын атомдарға қарай жылжытатын етіп орналастырылса, Допплер эффектісі оның жиілігін арттырады. Бір нақты жылдамдықта жиілік осы атомдардың фотонды сіңіре бастауы үшін дәл дұрыс болады. Лазерлік салқындату құрылымында да осыған ұқсас нәрсе болады, бірақ мұндай құрылғылар әр түрлі бағытта әр түрлі жылдамдықпен қозғалатын жылы атомдар бұлтымен басталады. Лазер жиілігі резонанстық жиіліктен әлдеқайда төмен болса, кез келген лазердің фотондары атомдардың көп бөлігі арқылы өтеді. Алайда, атомдар белгілі бір лазерге қарай жылдам қозғалса, олар осы лазердің фотондарын ұстап алады, олар қайтадан өткізгіш болғанша атомдарды баяулатады. (Лазерден жылдам алыстаған атомдар осы лазердің фотондары үшін өткізгіш, бірақ олар лазерге қарама-қарсы лазерге қарай жылдам қозғалады). Сіңіруді тудыру үшін белгілі бір жылдамдықты пайдалану Моссбауэр спектроскопиясында да көрінеді. Атомдық жылдамдықтар графигінде (оңға жылдам қозғалатын атомдар оң жаққа жақын орналасқан тұрақ нүктелерге сәйкес келеді, солға жылдам қозғалатын атомдар сол жаққа жақын орналасқан тұрақ нүктелерге сәйкес келеді) сол жақ шетінде осы атомдар сол лазерден фотонды сіңіре бастаған жылдамдыққа сәйкес келетін тар жолақ бар. Осы жолақтағы атомдар ғана сол лазермен әрекеттеседі. Сол лазерден фотон осы атомдардың біріне соқтығысқанда, ол кенеттен фотонның импульсіне сәйкес келетін мөлшерде баяулайды (нүкте оңға қарай белгілі бір «кванттық» қашықтыққа қайтадан тартылады). Егер атом фотонды тікелей оңға шығарса, нүкте сол қашықтыққа солға тартылады, оны кері әрекеттесудің тар жолағына қайтарады. Бірақ көбінесе атом фотонды кездейсоқ басқа бағытта шығарады, ал нүкте кванттық қашықтықты кері бағытта қайта тартады. Мұндай құрылым көптеген лазерлермен жасалады, олар нүктелер бұлтын толық қоршап тұратын көптеген шекаралық сызықтарға сәйкес келеді. Лазер жиілігі артқан сайын шекара тартылады, графтағы барлық нүктелерді нөлдік жылдамдыққа қарай итеріп, «суық» деп аталатын жағдайға жеткізеді.
The vast majority of photons that come anywhere near a particular atom are almost completely unaffected by that atom. The atom is almost completely transparent to most frequencies (colors) of photons. A few photons happen to "resonate" with the atom in a few very narrow bands of frequencies (a single color rather than a mixture like white light). When one of those photons comes close to the atom, the atom typically absorbs that photon (absorption spectrum) for a brief period of time, then emits an identical photon (emission spectrum) in some random, unpredictable direction. (Other sorts of interactions between atoms and photons exist, but are not relevant to this article.) The popular idea that lasers increase the thermal energy of matter is not the case when examining individual atoms. If a given atom is practically motionless (a "cold" atom), and the frequency of a laser focused upon it can be controlled, most frequencies do not affect the atom—it is invisible at those frequencies. There are only a few points of electromagnetic frequency that have any effect on that atom. At those frequencies, the atom can absorb a photon from the laser, while transitioning to an excited electronic state, and pick up the momentum of that photon. Since the atom now has the photon's momentum, the atom must begin to drift in the direction the photon was traveling. A short time later, the atom will spontaneously emit a photon in a random direction as it relaxes to a lower electronic state. If that photon is emitted in the direction of the original photon, the atom will give up its momentum to the photon and will become motionless again. If the photon is emitted in the opposite direction, the atom will have to provide momentum in that opposite direction, which means the atom will pick up even more momentum in the direction of the original photon (to conserve momentum), with double its original velocity. But usually the photon speeds away in some other direction, giving the atom at least some sideways thrust. Another way of changing frequencies is to change the positioning of the laser, for example, by using a monochromatic (single color) laser that has a frequency that is a little below one of the "resonant" frequencies of this atom (at which frequency the laser will not directly affect the atom's state). If the laser were to be positioned so that it was moving towards the observed atoms, then the Doppler effect would raise its frequency. At one specific velocity, the frequency would be precisely correct for said atoms to begin absorbing photons. Something very similar happens in a laser cooling apparatus, except such devices start with a warm cloud of atoms moving in numerous directions at variable velocity. Starting with a laser frequency well below the resonant frequency, photons from any one laser pass right through the majority of atoms. However, atoms moving rapidly towards a particular laser catch the photons for that laser, slowing those atoms down until they become transparent again. (Atoms rapidly moving away from that laser are transparent to that laser's photons—but they are rapidly moving towards the laser directly opposite it). This utilization of a specific velocity to induce absorption is also seen in Mössbauer spectroscopy. On a graph of atom velocities (atoms moving rapidly to the right correspond with stationary dots far to the right, atoms moving rapidly to the left correspond with stationary dots far to the left), there is a narrow band on the left edge corresponding to the speed at which those atoms start absorbing photons from the left laser. Atoms in that band are the only ones that interact with the left laser. When a photon from the left laser slams into one of those atoms, it suddenly slows down an amount corresponding to the momentum of that photon (the dot would be redrawn some fixed "quantum" distance further to the right). If the atom releases the photon directly to the right, then the dot is redrawn that same distance to the left, putting it back in the narrow band of interaction. But usually the atom releases the photon in some other random direction, and the dot is redrawn that quantum distance in the opposite direction. Such an apparatus would be constructed with many lasers, corresponding to many boundary lines that completely surround that cloud of dots. As the laser frequency is increased, the boundary contracts, pushing all the dots on that graph towards zero velocity, the given definition of "cold".
Ең төменгі температура
Допплер температурасы – Допплер салқындату арқылы қол жеткізілетін ең төменгі температура. Атом сәуле көзіне қарсы бағытта фотонды сіңірген кезде, импульстің сақталуына сәйкес оның жылдамдығы төмендейді. Қозған атом сіңірген фотонды спонтанды түрде шығарғанда, атом кездейсоқ бағытта импульс соққысын алады. Спонтанды эмиссиялар изотропты болып табылады, сондықтан осы импульс соққылары орташа жылдамдық бойынша нөлге теңеседі. Дегенмен, орташа жылдамдықтың квадраты , кездейсоқ процесте нөлдік емес, демек атомға жылу беріледі. Тепе-теңдік күйінде жылу беру және салқындату жылдамдықтары теңеседі, бұл атомды салқындатудың шегін анықтайды. Допплер салқындату үшін қолданылатын өтулер кең табиғи сызық еніне ие (радианымен секундына өлшенеді), бұл салқындағаннан кейін атомдардың температурасының ең төменгі шегін анықтайды:
The Doppler temperature is the minimum temperature achievable with Doppler cooling. When a photon is absorbed by an atom counter propagating to the light source, its velocity is decreased by momentum conservation. When the absorbed photon is spontaneously emitted by the excited atom, the atom receives a momentum kick in a random direction. The spontaneous emissions are isotropic and therefore these momentum kicks average to zero for the mean velocity. On the other hand, the mean squared velocity, , is not zero in the random process, and thus heat is supplied to the atom. At equilibrium, the heating and cooling rates are equal, which sets a limit on the amount by which the atom can be cooled. As the transitions used for Doppler cooling have broad natural linewidths (measured in radians per second), this sets the lower limit to the temperature of the atoms after cooling to be
мұнда – Больцман тұрақтысы, ал – қысқартылған Планк тұрақтысы. Бұл көбінесе фотонның спонтанды эмиссиясынан алынған импульсқа байланысты температурадан әлдеқайда жоғары. Допплер шегі метатұрақты гелий газында расталды.
where is the Boltzmann constant and is the reduced Planck constant. This is usually much higher than the recoil temperature, which is the temperature associated with the momentum gained from the spontaneous emission of a photon. The Doppler limit has been verified with a gas of metastable helium.
Субдоплерлік салқындату
Допплер шегінен әлдеқайда төмен температуралар әртүрлі лазерлік салқындату әдістері арқылы қол жеткізілді, оның ішінде Сизиф салқындату, булану арқылы салқындату және шешілген бүйірлік жолақты салқындату. Допплер салқындату теориясы атомның қарапайым екі деңгейлі құрылымы бар екенін болжайды, бірақ лазерлік салқындатуға қолданылатын көптеген атом түрлері күрделі гиперфине құрылымына ие. Көптеген негізгі күйлерге байланысты Сизиф салқындату сияқты механизмдер Допплер шегінен төмен температураға алып келеді.
Temperatures well below the Doppler limit have been achieved with various laser cooling methods, including Sisyphus cooling, evaporative cooling, and resolved sideband cooling. The theory of Doppler cooling assumes an atom with a simple two level structure, whereas most atomic species which are laser cooled have complicated hyperfine structure. Mechanisms such as Sisyphus cooling due to multiple ground states lead to temperatures lower than the Doppler limit.
Ең жоғары концентрация
Фотонның газға жылу түрінде сіңуіне жол бермеу үшін концентрация минималды болуы керек. Бұл сіңіру екі атом бір-бірімен соқтығысқанда, олардың біреуінің электроны қозған кезде болады. Содан кейін, қозған электрон негізгі күйіне түсіп, артық энергиясын соқтығысқан атомдардың қосымша кинетикалық энергиясы ретінде бөліп шығаруы мүмкін – бұл атомдарды қыздырады. Бұл салқындату процесіне қарсы келеді және демек, осы әдіспен салқындатылатын газдың максималды концентрациясын шектейді.
The concentration must be minimal to prevent the absorption of the photons into the gas in the form of heat. This absorption happens when two atoms collide with each other while one of them has an excited electron. There is then a possibility of the excited electron dropping back to the ground state with its extra energy liberated in additional kinetic energy to the colliding atoms—which heats the atoms. This works against the cooling process and therefore limits the maximum concentration of gas that can be cooled using this method.
Атомдық құрылымы
Тек кейбір атомдар мен иондар ғана лазерлік салқындатуға жарамды оптикалық өтулерге ие, себебі 300 нм-ден әлдеқайда қысқа толқын ұзындығында қажетті лазерлік қуатты жасау өте қиын. Сонымен қатар, атомның гиперфина құрылымы неғұрлым күрделі болса, оның жоғарғы күйден фотонды шығарып, бастапқы күйіне оралмай, қараңғы күйге түсіп, салқындату процесінен шығып қалу мүмкіндігі де соғұрлым артады. Осы атомдарды оптикалық түрде қайтадан қоздыру үшін басқа лазерлерді пайдалануға болады және қайтадан талпынуға болады, бірақ гиперфина құрылымы неғұрлым күрделі болса, соғұрлым көп (тар жолақты, жиілігі бекітілген) лазерлер қажет болады. Жиілігі бекітілген лазерлердің күрделі және қымбат болуына байланысты, бір репомпалау лазерінен артық қажет болатын атомдарды сирек салқындатады; мысалы, кең таралған рубидий магниттік-оптикалық тұзағына бір репомпалау лазері қажет. Бұл сонымен қатар молекулаларды лазерлік салқындатудың қиын болуының себебі: гиперфина құрылымынан басқа, молекулаларда ровиброникалық байланыстар да болады, сондықтан олар қозған айналу немесе тербеліс күйлеріне де ыдырай алады. Дегенмен, молекулаларды лазерлік салқындату SrF молекулаларымен алғаш рет, содан кейін CaF және YO сияқты басқа диатомиялық заттармен көрсетілді.
Only certain atoms and ions have optical transitions amenable to laser cooling, since it is extremely difficult to generate the amounts of laser power needed at wavelengths much shorter than 300 nm. Furthermore, the more hyperfine structure an atom has, the more ways there are for it to emit a photon from the upper state and not return to its original state, putting it in a dark state and removing it from the cooling process. It is possible to use other lasers to optically pump those atoms back into the excited state and try again, but the more complex the hyperfine structure is, the more (narrow band, frequency locked) lasers are required. Since frequency locked lasers are both complex and expensive, atoms which need more than one extra repump laser are rarely cooled; the common rubidium magneto optical trap, for example, requires one repump laser. This is also the reason why molecules are in general difficult to laser cool: in addition to hyperfine structure, molecules also have rovibronic couplings and so can also decay into excited rotational or vibrational states. However, laser cooling of molecules has been demonstrated, first with SrF molecules, and subsequently with other diatomics such as CaF and YO.
Конфигурациялар
Атомның үш қозғалыс еркіндік дәрежесін салқындату үшін лазерлік сәулелердің барлық үш Декарт координаталық жүйесіндегі қарсы таралатын жиынтықтарын қолдануға болады. Лазерлік салқындатудың кең таралған конфигурацияларына оптикалық моласса, магниттік-оптикалық тұзақ және Земан баяулағышы жатады. Иондық тұзаққа түскен атомдық иондар, егер сәуледе барлық үш қозғалыс еркіндік дәрежесінің компоненті болса, бір лазерлік сәулемен салқындатылуы мүмкін. Бұл бейтарап атомдарды тұтқындау үшін қажетті алты сәуледен өзгеше. Лазерлік салқындатудың алғашқы эксперименттері иондық тұзақтардағы иондармен жүргізілді. (Теориялық тұрғыдан алғанда, бейтарап атомдар жеткілікті терең тұзаққа түскен жағдайда бір сәулемен салқындатылуы мүмкін, бірақ практикада бейтарап тұзақтар иондық тұзақтарға қарағанда әлдеқайда шалқырақ болады және бір ғана кері импульс оқиғасы бейтарап атомды тұзақтан шығаруға жеткілікті.)
Counter propagating sets of laser beams in all three Cartesian dimensions may be used to cool the three motional degrees of freedom of the atom. Common laser cooling configurations include optical molasses, the magneto optical trap, and the Zeeman slower. Atomic ions, trapped in an ion trap, can be cooled with a single laser beam as long as that beam has a component along all three motional degrees of freedom. This is in contrast to the six beams required to trap neutral atoms. The original laser cooling experiments were performed on ions in ion traps. (In theory, neutral atoms could be cooled with a single beam if they could be trapped in a deep trap, but in practice neutral traps are much shallower than ion traps and a single recoil event can be enough to kick a neutral atom out of the trap.)
Қолданбалар
Допплерлік салқындатудың бір қолданысы – оптикалық меласса техникасы. Бұл процестің өзі магниттік-оптикалық тұзақтың бір бөлігін құрайды, бірақ оны жеке қолдануға болады. Допплерлік салқындату сондай-ақ спектроскопия мен метрологияда қолданылады, мұнда салқындату спектроскопиялық белгілерді тарлауға мүмкіндік береді. Мысалы, ең жақсы атомдық сағаттардың барлық технологияларында қандай-да бір сәтте Допплерлік салқындату қолданылады.
One use for Doppler cooling is the optical molasses technique. This process itself forms a part of the magneto optical trap but it can be used independently. Doppler cooling is also used in spectroscopy and metrology, where cooling allows narrower spectroscopic features. For example, all of the best atomic clock technologies involve Doppler cooling at some point.