30-05-2023
Сизифово охлаждение атомов (англ. Sisyphus cooling) это механизм понижения температуры атомов с помощью лазерного света до температур ниже достижимых с помощью доплеровского охлаждения (~500 μK). Охлаждение является результатом взаимодействия атомов с градиентом поляризации, созданной двумя распространяющимися навстречу лазерными пучками с ортогональной линейной поляризацией. Атомы, летящие в направлении световой волны в результате спонтанного перехода с верхнего на нижний уровень «одетого» состояния (dressed state) теряют кинетическую энергию. В результате чего температура атомов снижается на два порядка в сравнении с температурой, получаемой доплеровским охлаждением (~ 10 μK).
Содержание |
Для того, чтобы понять механизм охлаждения атома с помощью Сизифового процесса необходимо привлечь следующие физические процессы:
Атом, помещенный во внешнем электрическом поле , меняет свою энергию. В результате энергетические уровни атома смещаются на величину , где — электрический дипольный момент атома.
Этот эффект называется Эффект Штарка. Аналогичное поведение у атома наблюдается в переменном электрическом поле, в том числе при освещении светом, его называют «Переменным Штарк-эффектом» (в англоязычной литературе — AC-Stark effect):
где — Частота Раби, — отстройка частоты лазера от атомного резонанса
Модельная энергетическая структура атома показана на Рис.2. Из этой диаграммы видно, что переходы между уровнями под действием света в зависимости от его поляризации происходят с разной вероятностью.
Вероятность переходов между уровнями и под действием света с круговой поляризацией равна единице.
Тогда как вероятность переходов между уровнями и в три раза меньше (1/3).
В случае возбуждения линейно-поляризованным светом уровней и вероятность перехода составляет (2/3).
В случае, когда в атомном паре распространяются две линейно поляризованные волны, ортогональные к друг другу и движущие навстречу друг другу, то атом видит суммарную поляризацию с весьма своеобразным поведением, см. Рис.3.
В точке О поляризация будет линейной, затем в точке она превратится в круговую, вращающую в левую сторону. При дальнейшем движении атома наступит черед линейной поляризации (повернутой на 90° относительно исходной, точка ) и право-круговой (точка . В поляризация вернется к исходной линейной, но с задержкой на 180 градусов). Период полной смены поляризации равен .
Описанный градиент поляризации приведет к тому, что в разных точках пространства движущийся атом будет иметь разный световой сдвиг уровней.
Рассмотрим пример для света, частота которого меньше частоты перехода :
Предположим, что в момент включения лазерного света движущие атомы вдоль оси OZ находятся в точке λ / 8. В этой точке лево-поляризованый свет вызовет вынужденные переходы атома между уровнями и . Время жизни атома в возбужденном состоянии для щелочных металлов приблизительно =30 нс, после которого произойдет спонтанное возвращение атома на исходный или другой в соответствии с правилами отбора уровень. В рассматриваемом случае среди возможных путей распада есть такой который приведет к потери энергии, а именно: .
Атом окажется в потенциальной яме перехода , образовавшуюся вследствие светового сдвига. Атом при этом спонтанном переходе высвечивает на все четыре стороны энергию, приобретенную вследствие поглощения фотона в направлении -OZ, то есть из-за анизотропии процесса составляющая скорости атома вдоль оси OZ уменьшится. Несколько другой баланс по энергии будет наблюдаться при другом переходе.
Атомы, попав на уровень , будут продолжать двигаться и, при этом, взбираться на образовавшуюся вследствие светового сдвига потенциальную горку, теряя кинетическую энергию (замедляясь). В точке атом совершит под действием право-круговой поляризации вынужденный переход с уровня на уровень , а от туда спонтанно распадется на уровень , то он потеряет (излучив) энергию . После чего атом снова начнет карабкаться вверх теряя энергию, пока снова в точке процесс снова повторится.
Охлаждение атомов с помощью лазерного света в 80-е годы прошлого столетия было горячей темой среди фундаментальных физических исследований. К концу 80-х атомы удалось охладить, но оказалось, что значительно ниже теоретически предсказываемых температур. Теория «оконфузилась» и сделала неправильное предсказание. Необходимо было объяснить расхождения между теорией и экспериментом. Такое объяснение было дано в 1989 г (см. литературу) группой французских физиков во главе с Коэн-Тануджи (англ. C. Cohen-Tannouudji). Это было сделано с помощью механизма «Сизифова охлаждения» (или второе название механизма градиента поляризации). Механизм охлаждения был назван авторами в честь героя греческой мифологии Сизифа, который затаскивал камень на вершину горы, с которой камень потом падал вниз и Сизифу приходилось снова и снова вновь подымать его. Это продолжалось бесконечно.
В 1997 г. за цикл работ по охлаждению атомов, в частности, за объяснение Сизифова механизма охлаждения французскому ученому Коэн-Тануджи была присуждена Нобелевская премия по физике.
Сизифово охлаждение.
