Оптическая патока

Оптическая схема патоки

Оптическая патока — это метод лазерного охлаждения , который может охлаждать нейтральные атомы до температуры всего в несколько микрокельвинов, в зависимости от вида атомов. Оптическая патока состоит из трех пар встречных лазерных лучей с круговой поляризацией , пересекающихся в области присутствия атомов. Основное отличие оптической патоки от МОЛ заключается в отсутствии магнитного поля в первой. Таким образом, в отличие от МОТ, оптическая патока обеспечивает только охлаждение, а не улавливание.

История

Когда в 1975 году было предложено лазерное охлаждение, был предсказан теоретический предел минимально возможной температуры. Известный как предел Доплера , $T_{d}=\hbar \Gamma /{2k_{b}}$Это было дано минимально возможной температурой, учитывая охлаждение двухуровневых атомов за счет доплеровского охлаждения и нагрев атомов за счет диффузии импульса в результате рассеяния лазерных фотонов. Здесь, $\Gamma$, – естественная ширина линии атомного перехода, $\hbar$, – приведенная постоянная Планка и, $k_{b}$, – постоянная Больцмана .

Эксперименты в Национальном институте стандартов и технологий в Гейтерсбурге показали, что температура охлажденных атомов значительно ниже теоретического предела. В 1988 году Летт и др. направил атомы натрия через оптическую патоку и обнаружил, что температура составляет всего ~ 40 мкк; В 6 раз ниже ожидаемого предела доплеровского охлаждения 240 мкк. Другие неожиданные свойства, обнаруженные в других экспериментах включала значительную неожиданную нечувствительность к лазерной юстировке встречных лучей.

Теория

Лучшее объяснение явления оптической патоки основано на принципе охлаждения градиентом поляризации . Встречно распространяющиеся лучи света с круговой поляризацией вызывают стоячую волну, в которой поляризация света линейна, но направление вращается вдоль направления лучей с очень высокой скоростью. Атомы, движущиеся в пространственно изменяющейся линейной поляризации, имеют более высокую плотность вероятности находиться в состоянии, более подверженном поглощению света от луча, идущего спереди, а не от луча сзади. Это приводит к появлению демпфирующей силы, зависящей от скорости, которая способна снизить скорость облака атомов почти до предела отдачи.

Предел отдачи, ${\textstyle T_{r}}$, определяется энергией фотона, испускаемого при распаде из состояния J' в состояние J, где состояние J представляет собой угловой момент основного состояния, а состояние J' представляет собой угловой момент возбужденного состояния. Эта температура определяется выражением $$k_{b}T_{r}={\frac {h^{2}}{M\lambda ^{2}}}$$ хотя практически пределом является несколько раз это значение из-за чрезвычайной чувствительности к внешним магнитным полям в этой схеме охлаждения. Атомы обычно достигают температуры порядка ${\textstyle \mu K}$, по сравнению с доплеровским пределом ${\textstyle T_{D}\simeq 240\mu K}$.

См. также

• Серая патока