Was ist Laserkühlung?

Laserkühlung ist eine Methode, um Atome zu verlangsamen und damit mit Lasern abzukühlen.Normalerweise betrachten wir Laser als Heizungssachen und sie tun es auf makroskopische Skalen, aber für einzelne Atome oder kleine Gruppen von Atomen können sie zum Abkühlen verwendet werden.Die kältesten Temperaturen, die jemals erzeugt wurden, weniger als eine halbe Milliardenstel eines Kelvin (0,5 Nanokelvine) wurden durch Verwendung einer Kombination aus Laserkühlung und Verdunstungskühlung erreicht.Diese Temperaturen werden mit winzigen Mengen an diffusen Gasen erreicht.

Der primäre Mechanismus, durch den die Laserkühlung Atome verlangsamt, besteht darin, dass sie Photonen in zufällige Richtungen absorbieren und emittieren.Solange die Geschwindigkeit des Atoms größer ist als die Rückstoßgeschwindigkeit der Photonenemission, wird die Gesamtgeschwindigkeit verringert.Wenn Sie auf einem Schwebefahrzeug schweben, eine signifikante Geschwindigkeit in eine Richtung bewegen und zufällig metallische Kugeln vom Schwebefahrzeug geworfen haben, würde sich Ihre Geschwindigkeit schließlich verlangsamen und Ihre Bewegungen würden vollständig durch den Rückstoß auswirken, um die Kugeln zu werfen.So funktioniert die Laserkühlung.

Laserkühlung zielt selektiv auf Atome ab, die sich in bestimmte Richtungen und mit bestimmten Geschwindigkeiten im Gas bewegen.Durch das Einstellen des Lichts auf eine bestimmte Frequenz, knapp unter der Resonanzfrequenz für die Substanz, zielt die Laserfalle nur die Atome, die sich darauf bewegen.Dies ist auf den Doppler -Effekt zurückzuführen - wenn sich das Atom in Richtung des Quelllasers bewegt, nimmt die Häufigkeit des Lichts vom Gesichtspunkt dieses Atoms zu.Dies ist der gleiche Grund dafür, dass die Schallfrequenz mit dem Zug nach einem stationären Beobachter ändert - die relative Geschwindigkeit zwischen Quelle und Objekt manipuliert die scheinbare Frequenz.Für Atome, die sich bei dieser Schwellengeschwindigkeit nicht bewegen, sind sie zum Laser transparent und daher nicht davon beeinflusst.

Wenn die scheinbare Häufigkeit des Lichts in Bezug auf bestimmte Atome in der Laserkühlungsfalle genau richtig istPhotonen, wird vorübergehend energischer und emittiert dann ein Photon.Daher werden Atome, die sich in eine bestimmte Richtung über eine Schwellengeschwindigkeit bewegen, selektiv durch das Laserkühlgerät verlangsamt.Durch die Anordnung der Laser in einer dreidimensionalen Matrix, die das diffuse Gas umgibt, kann die Atomgeschwindigkeit in allen drei Freiheitsgraden gedämpft werden, was zu einer geringeren Atombewegung und damit zu einer geringeren Temperatur führt.Das Gas muss diffus sein, um sicherzustellen, dass Photonen nicht durch benachbarte Atome reabsorbiert werden.Langsam manipuliert die Frequenz des Lasers kann auch hilfreich sein, da möglicherweise mehrere Kühlstufen erforderlich sind, um das Gas auf die gewünschte Temperatur zu senken.Mach es sorgfältig und vielleicht bekommst du das Forschungsstipendium, das du immer gewünscht hast.