Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Лазерная техника охлаждения атомов до температур ниже, чем в магнитооптической ловушке.
Laser technique cooling atoms to temperatures lower than a magneto optical trap
Оптическая меласса – это метод лазерного охлаждения, позволяющий охлаждать нейтральные атомы до нескольких микрокельвинов, в зависимости от типа атомов. Оптическая меласса состоит из трех пар встречно направленных лазерных лучей с циркулярной поляризацией, пересекающихся в области, где находятся атомы. Основное отличие оптической мелассы от магнитооптической ловушки (МОТ) заключается в отсутствии магнитного поля. Следовательно, в отличие от МОТ, оптическая меласса обеспечивает только охлаждение и не осуществляет удержание.
Optical molasses is a laser cooling technique that can cool neutral atoms to as low as a few microkelvin, depending on the atomic species. An optical molasses consists of 3 pairs of counter propagating circularly polarized laser beams intersecting in the region where the atoms are present. The main difference between optical molasses and an MOT is the absence of magnetic field in the former. Therefore, unlike a MOT, an optical molasses provides only cooling and no trapping.
История
Когда в 1975 году была предложена идея лазерного охлаждения, был предсказан теоретический предел минимально достижимой температуры. Этот предел, известный как предел Доплера, определялся как наименьшая возможная температура, которую можно достичь при охлаждении двухуровневых атомов методом охлаждения Доплера, с учетом нагрева атомов из-за диффузии импульса при рассеянии лазерных фотонов. Здесь , – естественная ширина линии атомного перехода, , – приведённая постоянная Планка и , – постоянная Больцмана. Эксперименты, проведенные в Национальном институте стандартов и технологий в Гайтерсбурге, показали, что температура охлажденных атомов оказалась значительно ниже теоретического предела. В 1988 году Летт и соавторы пропустили атомы натрия через оптическую мелассу и обнаружили температуры, достигающие ~40 мкК; это в 6 раз ниже ожидаемого предела охлаждения Доплера в 240 мкК. Другие неожиданные свойства, выявленные в других экспериментах, включали значительную и неожиданную нечувствительность к выравниванию встречно направленных лазерных пучков.
When laser cooling was proposed in 1975, a theoretical limit on the lowest possible temperature was predicted. Known as the Doppler limit, , this was given by the lowest possible temperature attainable considering the cooling of two level atoms by Doppler cooling and the heating of atoms due to momentum diffusion from the scattering of laser photons. Here, , is the natural line width of the atomic transition, , is the reduced Planck constant and, , is the Boltzmann constant. Experiments at the National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, found the temperature of cooled atoms to be well below the theoretical limit. In 1988, Lett et al. directed Sodium atoms through an optical molasses and found the temperatures to be as low as ~40μk; 6 times lower than the expected 240μk doppler cooling limit. Other unexpected properties found in other experimentsincluded significant unexpected insensitivity to laser alignment of the counter propagating beams.
Теория
Лучшее объяснение явления оптической мелассы основано на принципе охлаждения градиентом поляризации. Встречно направленные пучки циркулярно поляризованного света создают стоячую волну, в которой поляризация света линейная, но направление поляризации быстро вращается вдоль направления распространения пучков. Атомы, движущиеся в пространственно изменяющейся линейной поляризации, имеют более высокую вероятность оказаться в состоянии, более восприимчивом к поглощению света от пучка, идущего навстречу, чем от пучка, идущего сзади. Это приводит к появлению силы демпфирования, зависящей от скорости, которая способна уменьшить скорость облака атомов до предела отдачи. Предел отдачи, , определяется энергией фотона, испускаемого при переходе из возбужденного состояния J' в основное состояние J, где J – угловой момент основного состояния, а J' – угловой момент возбужденного состояния. Эта температура определяется выражением , однако на практике предел обычно в несколько раз выше из-за высокой чувствительности к внешним магнитным полям в данной схеме охлаждения. Атомы обычно достигают температур порядка , что значительно ниже доплеровского предела .
The best explanation of the phenomenon of optical molasses is based on the principle of polarization gradient cooling. Counterpropagating beams of circularly polarized light cause a standing wave, where the light polarization is linear but the direction rotates along the direction of the beams at a very fast rate. Atoms moving in the spatially varying linear polarisation have a higher probability density of being in a state that is more susceptible to absorption of light from the beam coming head on, rather than the beam from behind. This results in a velocity dependent damping force that is able to reduce the velocity of a cloud of atoms to near the recoil limit. The recoil limit, , is set by the energy of the photon emitted in the decay from the J’ to J state, where the J state is the ground state angular momentum and the J’ state is the excited state angular momentum. This temperature is given by though practically the limit is a few times this value because of the extreme sensitivity to external magnetic fields in this cooling scheme. Atoms typically reach temperatures on the order of , as compared to the doppler limit .