Cos'è il raffreddamento laser?
Il raffreddamento laser si riferisce alla varietà di tecniche utilizzate per raffreddare campioni atomici e molecolari fino a una temperatura prossima allo zero assoluto. Le tecniche di raffreddamento laser si basano sul fatto che un atomo (di qualsiasi campione di metallo) cambia la sua quantità di moto (ed energia) quando assorbe e poi riemette un fotone.
La temperatura termodinamica di un insieme di atomi o molecole dipende dalla varianza della loro quantità di moto o velocità. Quando le velocità delle particelle sono omogenee, la loro temperatura collettiva è più bassa. Questo principio termodinamico è combinato con la spettroscopia atomica per condurre tecniche di raffreddamento laser su campioni molecolari o atomici.
Qual è il principio del raffreddamento laser?
Il raffreddamento laser si basa principalmente sul fatto che un atomo (di qualsiasi campione di metallo) cambia la sua quantità di moto (ed energia) quando assorbe e quindi riemette un fotone. Per il raffreddamento laser, la frequenza del laser è sintonizzata al di sotto della frequenza dell'onda emessa dalla transizione atomica.
Quando l'atomo si avvicina al raggio laser, per effetto dell'effetto Doppler la frequenza della luce aumenta rispetto all'atomo. Pertanto, gli atomi che si muovono verso il raggio laser hanno una maggiore probabilità di assorbire un fotone. Il contrario accade quando gli atomi si allontanano dal raggio laser.
Cos'è l'effetto Doppler?
L'effetto Doppler o lo spostamento Doppler si riferisce al cambiamento di frequenza di un'onda rispetto all'osservatore che si muove lungo la sorgente d'onda. Quando le onde di una sorgente si avvicinano a un osservatore, ciascuna onda impiega un po 'meno tempo dell'onda precedente. Quindi, il periodo di tempo della successiva cresta d'onda che si avvicina all'osservatore è ridotto. Quindi, la frequenza è aumentata. Viceversa, quando la sorgente d'onda si allontana dall'osservatore, l'intervallo di tempo aumenta e la frequenza viene ridotta.
Quali sono i tipi di raffreddamento laser?
Le varie tecniche di raffreddamento laser sono:
Raffreddamento Doppler:
Doppler che raffredda il tecnica di raffreddamento laser più comunemente usata. Il raffreddamento Doppler comporta la regolazione della frequenza della luce un po 'al di sotto del transizione elettronica in un atomo. Gli atomi assorbono più fotoni quando si muovono verso la fonte di luce a causa dell'effetto Doppler poiché la luce viene scordata a una frequenza inferiore. Quindi, gli atomi disperdono più fotoni e perdono ogni volta una quantità di moto equivalente alla quantità di moto del fotone. Con una diminuzione della quantità di moto, l'energia cinetica degli atomi viene ridotta abbassando così la temperatura complessiva del campione al limite di raffreddamento Doppler (che è di circa 150 microkelvin)
Raffreddamento del sisifo:
Il raffreddamento del sisifo è anche noto come raffreddamento a gradiente di polarizzazione. Si tratta di una variante della tecnica di raffreddamento laser che prevede l'emissione di due raggi laser contropropaganti aventi polarizzazione ortogonale su un campione di atomo o molecola. L'interferenza dei due raggi laser genera un'onda stazionaria. Gli atomi tendono a perdere energia cinetica mentre si muovono insieme all'onda stazionaria verso il potenziale più alto. Al potenziale massimo, il pompaggio ottico sposta gli atomi in uno stato di energia inferiore rimuovendo l'energia potenziale acquisita. Questa perdita di energia contribuisce al raffreddamento degli atomi al di sotto del limite di raffreddamento Doppler.
Risolto il raffreddamento della banda laterale:
Il raffreddamento a banda laterale risolto è un'altra variante delle tecniche di raffreddamento laser specializzate nel raffreddamento di ioni e atomi strettamente legati al di sotto del limite di raffreddamento Doppler. Il raffreddamento a banda laterale risolto viene generalmente condotto dopo l'applicazione del raffreddamento Doppler per intrappolare gli atomi nel loro movimento stato fondamentale. L'atomo raffreddato viene quindi considerato come un buon oscillatore armonico meccanico quantistico. In questa tecnica, il raffreddamento si ottiene sintonizzando la frequenza del raggio laser sulla banda laterale rossa inferiore.
Raffreddamento Raman Sideband:
Il raffreddamento a banda laterale Raman si riferisce a una tecnica di raffreddamento a sub-coil che raffredda gli atomi al di sotto del limite di raffreddamento Doppler utilizzando metodi ottici. Nel raffreddamento Raman, il processo inizia dagli atomi presenti in una trappola magneto-ottica. I siti contenenti atomi possono essere convertiti in una trappola armonica se i laser del reticolo ottico sono sufficientemente potenti. È probabile che gli atomi siano intrappolati in uno dei livelli dell'oscillatore armonico. L'obiettivo principale del raffreddamento della banda laterale Raman è quello di mettere gli atomi del reticolo nello stato fondamentale del potenziale armonico. Ciò fornisce un'alta densità di atomi a bassa temperatura.
Quali sono gli usi del raffreddamento laser?
Il raffreddamento laser è utilizzato principalmente per scopi sperimentali. Gli esperimenti di fisica quantistica richiedono atomi ultrafreddi generati dal raffreddamento laser. Gli effetti quantistici come la condensazione di Bose-Einstein richiedono atomi prossimi allo zero assoluto. In precedenza, il raffreddamento laser veniva condotto solo sugli atomi. Tuttavia, oggigiorno il raffreddamento laser viene eseguito su sistemi più complessi come una molecola biatomica o un oggetto in scala macro. Il raffreddamento laser ha contribuito molto allo studio delle particelle quantistiche.
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