Τι είναι η ψύξη με λέιζερ; | Αρχή | 4 Σημαντικές τεχνικές | Χρήσεις

ΨΥΞΗ LASER

Τι είναι η ψύξη με λέιζερ;

Η ψύξη με λέιζερ αναφέρεται στην ποικιλία τεχνικών που χρησιμοποιούνται για την ψύξη ατομικών και μοριακών δειγμάτων σε σχεδόν απόλυτη μηδενική θερμοκρασία. Οι τεχνικές ψύξης με λέιζερ βασίζονται στο γεγονός ότι ένα άτομο (οποιουδήποτε μεταλλικού δείγματος) αλλάζει την ορμή του (και την ενέργεια) όταν απορροφά και εκπέμπει εκ νέου ένα φωτόνιο. Η θερμοδυναμική θερμοκρασία ενός ατόμου ή ενός συνόλου μορίων εξαρτάται από τη διακύμανση της ορμής ή της ταχύτητάς τους. Όταν οι ταχύτητες των σωματιδίων είναι ομοιογενείς, η συλλογική τους θερμοκρασία είναι χαμηλότερη. Αυτή η θερμοδυναμική αρχή συνδυάζεται με ατομική φασματοσκοπία για τη διεξαγωγή τεχνικών ψύξης με λέιζερ σε μοριακά ή ατομικά δείγματα.

Ποια είναι η αρχή της ψύξης με λέιζερ;

Η ψύξη με λέιζερ βασίζεται κυρίως στο γεγονός ότι ένα άτομο (οποιουδήποτε μεταλλικού δείγματος) αλλάζει την ορμή του (και την ενέργεια) όταν απορροφά και εκπέμπει εκ νέου ένα φωτόνιο. Για ψύξη με λέιζερ, η συχνότητα του λέιζερ συντονίζεται κάτω από τη συχνότητα του κύματος που εκπέμπεται από την ατομική μετάβαση. Όταν το άτομο πλησιάζει τη δέσμη λέιζερ, ως αποτέλεσμα του φαινομένου Doppler η συχνότητα του φωτός αυξάνεται σε σχέση με το άτομο. Επομένως, τα άτομα που κινούνται προς την ακτίνα λέιζερ έχουν αυξημένη πιθανότητα απορρόφησης ενός φωτονίου. Το αντίστροφο συμβαίνει όταν τα άτομα απομακρύνονται από τη δέσμη λέιζερ.

Ποιο είναι το εφέ Doppler;

Το εφέ Doppler ή η μετατόπιση Doppler αναφέρεται στην αλλαγή της συχνότητας ενός κύματος σε σχέση με τον παρατηρητή που κινείται κατά μήκος της πηγής του κύματος. Όταν τα κύματα από μια πηγή πλησιάζουν ένας παρατηρητής κάθε κύμα παίρνει λίγο λιγότερο χρόνο από το προηγούμενο κύμα. Έτσι, μειώνεται το χρονικό διάστημα της διαδοχικής κορυφής κυμάτων που πλησιάζει τον παρατηρητή. Ως εκ τούτου, η συχνότητα αυξάνεται. Αντίθετα, όταν η πηγή κυμάτων απομακρύνεται από τον παρατηρητή, το χρονικό διάστημα αυξάνεται και η συχνότητα μειώνεται.

Κύματα που εκπέμπονται από μια πηγή που κινείται από τα δεξιά προς τα αριστερά. Η συχνότητα αυξάνεται από δεξιά προς αριστερά. Πηγή εικόνας:! Πρωτότυπο:ΤκάρχερΔιάνυσμα: ΤατουτέΔιαγραμματικό εφέ DopplerCC BY-SA 3.0

Ποιοι είναι οι τύποι ψύξης με λέιζερ;

Οι διάφορες τεχνικές ψύξης με λέιζερ είναι:

Ψύξη Doppler:

Doppler ψύξη του πιο συχνά χρησιμοποιούμενη τεχνική ψύξης λέιζερ. Η ψύξη Doppler περιλαμβάνει συντονισμό της συχνότητας του φωτός λίγο κάτω από το ηλεκτρονική μετάβαση σε ένα άτομο. Τα άτομα απορροφούν περισσότερα φωτόνια όταν κινούνται προς την πηγή φωτός λόγω του φαινομένου Doppler καθώς το φως αποσυνδέεται σε χαμηλότερη συχνότητα. Ως εκ τούτου, τα άτομα διασκορπίζουν περισσότερα φωτόνια και χάνουν μια ορμή ισοδύναμη με την ορμή του φωτονίου κάθε φορά. Με τη μείωση της ορμής, η κινητική ενέργεια των ατόμων μειώνεται, μειώνοντας έτσι τη συνολική θερμοκρασία του δείγματος στο όριο ψύξης Doppler (που είναι περίπου 150 microkelvin)

ψύξη με λέιζερ
Επίδειξη ψύξης Doppler. Πηγή εικόνας: Rickky678Ψύξη λέιζερ Rubidium85, επισημαίνεται ως δημόσιος τομέας, περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με Wikimedia Commons

Ψύξη Sisyphus:

Η ψύξη Sisyphus είναι επίσης γνωστή ως ψύξη βαθμίδωσης πόλωσης. Πρόκειται για μια παραλλαγή της τεχνικής ψύξης με λέιζερ που περιλαμβάνει τη λάμψη δύο ακτίνων λέιζερ αντίθετου πολλαπλασιασμού που έχουν ορθογώνια πόλωση σε ένα άτομο ή δείγμα μορίου. Ένα σταθερό κύμα δημιουργείται ως αποτέλεσμα των δύο παρεμβαλλόμενων ακτίνων λέιζερ. Τα άτομα τείνουν να χάνουν κινητική ενέργεια καθώς κινούνται μαζί με το όρθιο κύμα προς το υψηλότερο δυναμικό. Στο μέγιστο δυναμικό, η οπτική άντληση μετακινεί τα άτομα σε κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας αφαιρώντας την πιθανή ενέργεια που απέκτησε. Αυτή η απώλεια ενέργειας συμβάλλει στην ψύξη των ατόμων κάτω από το όριο ψύξης Doppler.

Επίδειξη της αρχής ψύξης Sisyphus. Τα άτομα κινούνται κατά μήκος του όρθιου κύματος σε υψηλότερο δυναμικό και στη συνέχεια στέλνονται πίσω σε χαμηλότερο δυναμικό. Πηγή εικόνας: http://By Stefan.Original uploader was StefanPohl at German Wikipedia – selbst gemalt, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=23028193

Απολυμένη ψύξη πλευρικής ζώνης:

Η λύση της ψύξης πλευρικής ζώνης είναι μια άλλη παραλλαγή τεχνικών ψύξης με λέιζερ που ειδικεύεται στην ψύξη ιόντων και ατόμων με στενή σύνδεση κάτω από το όριο ψύξης Doppler. Η διαλυμένη ψύξη πλευρικής ζώνης πραγματοποιείται γενικά μετά την εφαρμογή της ψύξης Doppler για την παγίδευση των ατόμων στην κίνηση τους κατάσταση εδάφους. Το ψυχθέν άτομο στη συνέχεια θεωρείται ως ένας καλός κβαντικός μηχανικός αρμονικός ταλαντωτής. Σε αυτήν την τεχνική, η ψύξη επιτυγχάνεται συντονίζοντας τη συχνότητα της δέσμης λέιζερ στην κάτω κόκκινη πλευρική ζώνη.

Επίδειξη ψύξης πλευρικής ζώνης. Μπλε: Ψύξη Doppler, Κόκκινο: διαδρομή ψύξης πλευρικής ζώνης, κίτρινο: αυθόρμητη αποσύνθεση, Πράσινο: παλμοί πόλωσης περιστροφής Πηγή εικόνας: ΜπάταμπακοφΕσωτερική δομή ιόντων Ca 40 με διαχωρισμό zeemanCC BY-SA 3.0

Raman Sideband ψύξη:

Η ψύξη πλευρικής ζώνης Raman αναφέρεται σε μια τεχνική ψύξης sub-coil που ψύχει άτομα κάτω από το όριο ψύξης Doppler χρησιμοποιώντας οπτικές μεθόδους. Στην ψύξη Raman, η διαδικασία ξεκινά από άτομα που υπάρχουν σε μαγνητο-οπτική παγίδα. Οι τοποθεσίες που έχουν άτομα μπορούν να μετατραπούν σε αρμονική παγίδα εάν τα λέιζερ του οπτικού πλέγματος είναι αρκετά ισχυρά. Τα άτομα είναι πιθανό να παγιδευτούν σε ένα από τα επίπεδα του αρμονικού ταλαντωτή. Ο κύριος στόχος της ψύξης πλευρικής ζώνης Raman είναι να βάλει τα άτομα του πλέγματος στην κατάσταση του εδάφους του αρμονικού δυναμικού. Αυτό παρέχει υψηλή πυκνότητα ατόμων σε χαμηλή θερμοκρασία.

Επίδειξη ψύξης πλευρικής ζώνης Raman. Πηγή εικόνας: ΛκόρμανRamanSideband ΨύξηCC BY-SA 3.0

Ποιες είναι οι χρήσεις της ψύξης με λέιζερ;

Η ψύξη με λέιζερ χρησιμοποιείται κυρίως για πειραματικούς σκοπούς. Τα πειράματα κβαντικής φυσικής απαιτούν άτομα πολύψυκτα που δημιουργούνται με ψύξη με λέιζερ. Τα κβαντικά αποτελέσματα όπως η συμπύκνωση Bose-Einstein χρειάζονται άτομα κοντά σε απόλυτη μηδενική θερμοκρασία. Νωρίτερα, η ψύξη με λέιζερ πραγματοποιήθηκε μόνο σε άτομα. Ωστόσο, σήμερα η ψύξη με λέιζερ πραγματοποιείται σε πιο περίπλοκα συστήματα, όπως ένα διατομικό μόριο ή ένα αντικείμενο μακρο-κλίμακας. Η ψύξη με λέιζερ συνέβαλε πολύ στη μελέτη των κβαντικών σωματιδίων.

Για να μάθετε περισσότερα για τα λέιζερ επισκεφθείτε https://lambdageeks.com/laser-physics/

Σχετικά με το Sanchari Chakraborty

Είμαι πρόθυμος μαθητευόμενος, επί του παρόντος επενδύω στον τομέα της Εφαρμοσμένης Οπτικής και της Φωτονικής. Είμαι επίσης ενεργό μέλος του SPIE (Διεθνής Εταιρεία Οπτικής και Φωτονικής) και του OSI (Optical Society of India). Τα άρθρα μου έχουν ως στόχο να φέρουν στο φως ποιοτικά επιστημονικά ερευνητικά θέματα με απλό αλλά ενημερωτικό τρόπο. Η επιστήμη εξελίσσεται από αμνημονεύτων χρόνων. Γι 'αυτό, προσπαθώ να αξιοποιήσω την εξέλιξη και να το παρουσιάσω στους αναγνώστες.

Ας συνδεθούμε μέσω https://www.linkedin.com/in/sanchari-chakraborty-7b33b416a/

Αφήστε ένα σχόλιο

Η διεύθυνση email σας δεν θα δημοσιευθεί. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται *

Lambda Geeks