Испарительное охлаждение (атомная физика)

Испарительное охлаждение — это метод атомной физики, позволяющий достичь высокой плотности фазового пространства , чего обычно невозможно достичь с помощью одних только методов оптического охлаждения.

Атомы, захваченные в оптических или магнитных ловушках, могут быть охлаждены испарением с помощью двух основных механизмов, обычно специфичных для рассматриваемого типа ловушки: в магнитных ловушках радиочастотные (РЧ) поля используются для избирательного вывода теплых атомов из ловушки, вызывая переходы между захватами и незахватывающие спиновые состояния; или, в оптических ловушках, глубина самой ловушки постепенно уменьшается, позволяя наиболее энергичным атомам в ловушке выйти через края оптического барьера. В случае распределения Максвелла-Больцмана скоростей атомов в ловушке эти атомы, которые покидают/вытесняются из ловушки, лежат в хвосте распределения с наибольшей скоростью, а это означает, что их кинетическая энергия (и, следовательно, температура) значительно выше, чем в среднем по ловушке. Конечным результатом является то, что, хотя общая численность ловушек уменьшается, уменьшается и средняя энергия оставшейся популяции. Это уменьшение средней кинетической энергии облака атомов приводит к постепенному уменьшению температуры ловушки, охлаждая ловушку.

Этот процесс аналогичен обдуванию чашки кофе с целью ее охлаждения: молекулы, находящиеся на самом высоком конце распределения энергии кофе, образуют пар над поверхностью, а затем удаляются из системы, сдувая их, уменьшая среднюю энергию. и, следовательно, температура остальных молекул кофе.

Эволюция распределения скоростей Максвелла-Больцмана для начальной популяции из 1 миллиона атомов 87Rb при температуре ~ 300 К. На каждом шаге gif самые быстрые 5% атомов в распределении удаляются, постепенно уменьшая среднюю скорость остальных атомов.

Радиочастотное испарение

Испарительное охлаждение, индуцированное радиочастотой (РЧ), является наиболее распространенным методом испарительного охлаждения атомов в магнитооптической ловушке (МОЛ). Рассмотрим лазерное охлаждение захваченных атомов на переходе |F=0⟩ → |F=1⟩. Магнитные подуровни состояния |F=1⟩ (|m _F = -1,0,1⟩) вырождены при нулевом внешнем поле. Удерживающее магнитное квадрупольное поле, равное нулю в центре ловушки и отличное от нуля повсюду, вызывает зеемановский сдвиг в атомах, отклоняющихся от центра ловушки, снимая вырождение трех магнитных подуровней. Энергия взаимодействия полного спинового момента захваченного атома с внешним магнитным полем зависит от проекции спинового момента на ось z и пропорциональна $$\Delta E\propto -m_{F}B_{Z}$$Из этого соотношения видно, что только магнитный подуровень |m _F = -1⟩ будет иметь положительную энергию взаимодействия с полем, т. е. энергия атомов в этом состоянии увеличивается по мере их миграции из центра ловушки, превращение центра ловушки в точку минимальной энергии - определение ловушки. И наоборот, энергия состояния |m _F =0⟩ не изменяется полем (нет захвата), а энергия состояния |m _F =1⟩ фактически уменьшается по мере отклонения от центра ловушки, что делает центр точкой максимальная энергия. По этой причине |m _F = -1⟩ называется состоянием захвата, а |m _F =0,1⟩ состояниями без захвата.Из уравнения для энергии взаимодействия магнитного поля также видно, что энергии состояний |m _F =1,-1⟩ смещаются в противоположные стороны, изменяя полную разность энергий между этими двумя состояниями. Таким образом, частота перехода |m _F =-1⟩→|m _F =1⟩ испытывает зеемановский сдвиг. С учетом этого схема ВЧ-испарительного охлаждения работает следующим образом: величина зеемановского сдвига перехода -1→+1 зависит от напряженности магнитного поля, которое увеличивается радиально наружу от центра ловушки. Те атомы, которые являются наиболее холодными, движутся в небольшой области вокруг центра ловушки, где они испытывают лишь небольшой зеемановский сдвиг частоты перехода -1 → +1. Однако теплые атомы проводят время в областях ловушки, гораздо дальше от центра, где магнитное поле сильнее и, следовательно, больше зеемановский сдвиг. Сдвиг, вызванный магнитными полями, в масштабе, используемом в типичных МОЛ, составляет порядка МГц, так что для управления переходом -1 → +1 можно использовать источник радиочастоты. Выбор частоты радиочастотного источника соответствует точке на кривой потенциала захвата, в которой атомы испытывают зеемановский сдвиг, равный частоте радиочастотного источника, который затем приводит атомы в состояние антизахвата |m _F =1⟩ магнитный подуровень и сразу выходит из ловушки. Таким образом, снижение радиочастоты эквивалентно уменьшению пунктирной линии на рисунке, что эффективно уменьшает глубину потенциальной ямы. По этой причине радиочастотный источник, используемый для удаления этих энергичных атомов, часто называют «радиочастотным ножом», поскольку он эффективно снижает высоту потенциала захвата и удаляет наиболее энергичные атомы из ловушки, «отрезая» высокоэнергетические атомы. хвост распределения энергии ловушки. Этот метод, как известно, использовался для охлаждения облака атомов рубидия ниже критической температуры конденсации с образованием первого экспериментально наблюдаемого конденсата Бозе-Эйнштейна ( БЭК ). .

Оптическое испарение

В то время как первое наблюдение бозе-эйнштейновской конденсации было сделано в магнитной ловушке атомов с использованием испарительного охлаждения с радиочастотным управлением, оптические дипольные ловушки в настоящее время являются гораздо более распространенной платформой для достижения конденсации. Начиная с МОЛ, холодные захваченные атомы переносятся в фокус мощного, плотно сфокусированного, нерезонансного лазерного луча. Электрическое поле лазера в его фокусе достаточно сильное, чтобы индуцировать дипольные моменты в атомах, которые затем притягиваются к максимуму электрического поля в фокусе лазера, эффективно создавая потенциал захвата, удерживающий их в фокусе луча.

Глубина оптического потенциала ловушки в оптической дипольной ловушке (ОДЛ) пропорциональна интенсивности захватывающего лазерного света. Таким образом, уменьшение мощности захватывающего лазерного луча уменьшает глубину захватывающего потенциала. В случае испарения под действием радиочастотного излучения фактическая высота потенциального барьера, удерживающего атомы, фиксируется во время последовательности испарения, но радиочастотный нож эффективно уменьшает глубину этого барьера, как обсуждалось ранее. Однако в случае оптической ловушки испарение облегчается за счет уменьшения мощности лазера и, следовательно, уменьшения глубины потенциала ловушки. В результате самые теплые атомы в ловушке будут иметь достаточную кинетическую энергию, чтобы преодолеть стенки барьера и покинуть ловушку, уменьшая среднюю энергию остальных атомов, как описано ранее. Хотя глубина ловушки для ODT может быть небольшой (порядка мК с точки зрения температуры), простота этой процедуры оптического испарения помогла сделать ее все более популярной для экспериментов по БЭК с момента ее первой демонстрации вскоре после производства магнитного БЭК.

См. также

• Магнитооптическая ловушка
• Конденсация Бозе-Эйнштейна
• Оптические пинцеты
• Лазерное охлаждение
• Сизифовое охлаждение
• Рамановское охлаждение

Ссылки

• М. Х. Андерсон, Дж. Р. Эншер, М. Р. Мэтьюз, К. Э. Виман и Е. А. Корнелл, Наблюдения бозе-эйнштейновской конденсации в разбавленном атомном паре , Science , 269:198–201, 14 июля 1995 г.
• Дж. Дж. Толлетт, К. С. Брэдли, К. А. Сакетт и Р. Г. Хьюлет, Ловушка с постоянным магнитом для холодных атомов , Phys. Ред. А 51, R22, 1995 г.
• Буйер и др., РЧ-индуцированное испарительное охлаждение и БЭК в сильном магнитном поле , физика/0003050 , 2000.