Рамановское охлаждение

В атомной физике комбинационное охлаждение — это метод охлаждения суботдачи, который позволяет охлаждать атомы с использованием оптических методов ниже ограничений доплеровского охлаждения , причем доплеровское охлаждение ограничивается энергией отдачи фотона, переданного атому. Эту схему можно реализовать в простой оптической патоке или в патоке, на которую оптическая решетка , которые называются соответственно рамановским охлаждением в свободном пространстве. наложена и рамановское охлаждение боковой полосы. Оба метода используют комбинационное рассеяние лазерного света атомами.

Двухфотонный рамановский процесс

Пример двухфотонного комбинационного процесса, в данном случае между двумя состояниями через виртуальное состояние, слегка отстроенное в красную сторону от реального возбужденного состояния.

Переход между двумя сверхтонкими состояниями атома может быть инициирован двумя лазерными лучами: первый луч возбуждает атом в виртуальное возбужденное состояние (например, потому, что его частота ниже реальной частоты перехода), а второй луч девозбуждает атом на другой сверхтонкий уровень. Разность частот двух лучей в точности равна частоте перехода между двумя сверхтонкими уровнями. Рамановские переходы хороши для охлаждения из-за чрезвычайно узкой ширины линии комбинационных переходов между уровнями с большим временем жизни, а для использования узкой ширины линии необходимо очень точно контролировать разницу в частотах между двумя лазерными лучами.

Иллюстрация этого процесса показана на примере схематического изображения двухфотонного комбинационного процесса. Это обеспечивает переход между двумя уровнями. $|g_{1}\rangle$ и $|g_{2}\rangle$. Промежуточный виртуальный уровень показан пунктирной линией и отстроен по красному свету относительно реального возбужденного уровня. $|e\rangle$. Разница частот $f_{2}-f_{1}$ здесь точно соответствует разнице энергий между $|g_{1}\rangle$ и $|g_{2}\rangle$.

Комбинационное охлаждение свободного пространства

В этой схеме предварительно охлажденное облако атомов (температура которого составляет несколько десятков микрокельвинов) претерпевает серию импульсов рамановских процессов. Лучи распространяются встречно, и их частоты такие же, как описано выше, за исключением того, что частота $f_{2}$ теперь слегка расстроен по красному (отстройка $\Delta$) относительно его нормального значения. Таким образом, атомы, движущиеся к источнику лазера 2 с достаточной скоростью, будут резонансными с рамановскими импульсами, благодаря эффекту Доплера . Они будут в восторге от $|g_{2}\rangle$ состоянии и получить импульс, уменьшающий модуль их скорости.

Если направления распространения двух лазеров поменяются местами, то атомы, движущиеся в противоположном направлении, будут возбуждены и получат импульс, который уменьшит модуль их скоростей. Путем регулярной замены направлений распространения лазеров и изменения расстройки $\Delta$, можно иметь все атомы, для которых начальная скорость удовлетворяет $|v|>v_{max}$ в штате $|g_{2}\rangle$, а атомы такие, что $|v|<v_{max}$ все еще в $|g_{1}\rangle$ состояние. Затем включается новый луч, частота которого в точности соответствует частоте перехода между $|g_{2}\rangle$ и $|e\rangle$. Это позволит оптически накачать атомы из $|g_{2}\rangle$ государство в $|g_{1}\rangle$ состоянии, и скорости будут рандомизированы этим процессом, так что часть атомов в $|g_{2}\rangle$ приобретет скорость $|v|<v_{max}$.

Повторив этот процесс несколько раз (восемь в оригинальной статье, см. ссылки), температуру облака можно снизить до уровня менее микрокельвина.

Рамановское охлаждение боковой полосы

Комбинационное охлаждение боковой полосы — это метод подготовки атомов в основном колебательном состоянии периодического потенциала и их охлаждения ниже предела отдачи. Его можно реализовать внутри оптической дипольной ловушки, где можно достичь охлаждения с меньшими потерями захваченных атомов по сравнению с испарительным охлаждением, можно реализовать в качестве промежуточного охлаждения для повышения эффективности и скорости испарительного охлаждения, и, как правило, он чрезвычайно нечувствителен. к традиционным ограничениям лазерного охлаждения до низких температур при высоких плотностях. Его успешно применяют для охлаждения ионов, а также атомов, таких как цезий, калий, литий и т. д.

Общая схема рамановского охлаждения боковой полосы

Общая схема рамановского охлаждения боковой полосы, в которой два разных фотона генерируют рамановский переход между колебательными уровнями в двух гармонических потенциалах осциллятора, а затем повторная накачка возвращает переход в исходное состояние, но более низкий колебательный уровень сохраняется.

Основной метод рамановского охлаждения боковой полосы использует двухфотонный рамановский процесс для соединения $m,n$ уровни, отличающиеся на одну энергию гармонического осциллятора. Поскольку атомы не находятся в основном состоянии, они будут захвачены на одном из возбужденных уровней гармонического осциллятора. Целью рамановского охлаждения боковой зоны является перевод атомов в основное состояние гармонического потенциала. В качестве общего примера схемы, рамановские лучи (красные на прилагаемой диаграмме) представляют собой два разных фотона ( $\gamma _{1}$ и $\gamma _{2}$), которые линейно поляризованы по-разному, так что мы имеем изменение углового момента, смещаясь от $m_{F}=+1$ к $m_{F}=+2$, но снижается с $n$ к $n-1$ вибрационные уровни. Затем мы используем перенакачку с помощью одного луча (синий на прилагаемой диаграмме), который не меняет вибрационные уровни (т.е. удерживает нас в $n-1$, тем самым понижая состояние гармонического потенциала на объекте.

Вырожденное комбинационное охлаждение боковой полосы в оптической решетке

Вырожденное комбинационное охлаждение боковой полосы

Эта более конкретная схема охлаждения начинается с атомов в магнитооптической ловушке , используя рамановские переходы внутри оптической решетки для перевода атомов в их основные колебательные состояния. Оптическая решетка представляет собой пространственно-периодический потенциал, образованный интерференцией встречных лучей. Оптическая решетка расширяется так, что значительная часть атомов оказывается в ловушке. Если лазеры решетки достаточно мощные, каждый узел можно смоделировать как гармоническую ловушку. Оптическая решетка должна обеспечивать прочную связь атомов, предотвращать их взаимодействие с рассеянными резонансными фотонами и подавлять нагрев от них. Это можно выразить количественно с помощью параметра Ламба-Дикке. $\eta$, что дает отношение размера волнового пакета основного состояния к длине волны взаимодействующего лазерного света. В оптической решетке $\eta$ можно интерпретировать как отношение энергии отдачи фотонов к энергетическому разделению в колебательных модах:

$\eta ={\sqrt {\frac {E_{r}}{E_{v}}}}<1$

где $E_{r}$ это энергия отдачи и $E_{v}$ это вибрационная энергия. $\eta <1$ – предел Ламба-Дикке . В этом режиме колебательная энергия больше энергии отдачи, и рассеянные фотоны не могут изменить колебательное состояние атома.

Для специфически вырожденного рамановского охлаждения боковой зоны мы можем рассмотреть двухуровневый атом, основное состояние которого имеет квантовое число $F=1$, такой, что он трехкратно вырожден с $m=-1$, $0$ или $1$. Добавляется магнитное поле, снимающее вырождение в $m$ из-за эффекта Зеемана . Его значение точно настроено так, что зеемановское расщепление между $m=-1$ и $m=0$ и между $m=0$ и $m=1$ равен расстоянию между двумя уровнями гармонического потенциала, создаваемого решеткой.

С помощью рамановских процессов атом можно перевести в состояние, в котором магнитный момент уменьшился на единицу, а колебательное состояние также уменьшилось на единицу (красные стрелки на изображении выше). После этого атомы, находящиеся в низшем колебательном состоянии потенциала решетки (но с $m\neq 1$) оптически накачиваются в $m=1$ государство (роль $\sigma _{+}$ и $\pi$ световые лучи). Поскольку температура атомов достаточно низка по отношению к частотам пучка накачки, весьма вероятно, что атом не изменит своего колебательного состояния в процессе накачки. Таким образом, он попадает в более низкое вибрационное состояние, и именно так он охлаждается. Чтобы достичь такого эффективного перехода в более низкое колебательное состояние на каждом этапе, параметры лазера, то есть мощность и время, должны быть тщательно настроены. В общем, эти параметры различны для разных колебательных состояний, поскольку сила связи ( частота Раби ) зависит от колебательного уровня. Дополнительное усложнение этой наивной картины возникает из-за отдачи фотонов , которые и вызывают этот переход. Последнего осложнения, как правило, можно избежать, выполняя охлаждение в ранее упомянутом режиме Ламба-Дикке , когда атом настолько прочно захватывается оптической решеткой, что фактически не меняет свой импульс из-за отдачи фотонов. Ситуация аналогична эффекту Мёссбауэра. .

Такая схема охлаждения позволяет получить достаточно высокую плотность атомов при низкой температуре, используя только оптические методы. Например, бозе-эйнштейновская конденсация цезия была впервые достигнута в эксперименте, в котором в качестве первого шага использовалось комбинационное охлаждение боковой полосы. Недавние эксперименты показали, что этого даже достаточно, чтобы напрямую достичь конденсации Бозе-Эйнштейна .

См. также

• Лазерное охлаждение
• Субдопплеровское охлаждение