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enfriamiento Doppler

Principio simplificado del enfriamiento láser Doppler: El enfriamiento Doppler es un mecanismo que permite atrapar y ralentizar el movimiento de los átomos para enfriar una sust...

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Principio simplificado del enfriamiento láser Doppler:

El enfriamiento Doppler es un mecanismo que permite atrapar y ralentizar el movimiento de los átomos para enfriar una sustancia. Si bien el término se usa a veces como sinónimo de enfriamiento láser , este último abarca otras técnicas.

Historia

El enfriamiento Doppler fue propuesto simultáneamente por dos grupos en 1975: el primero, David J. Wineland y Hans Georg Dehmelt [ 1 ] , y el segundo, Theodor W. Hänsch y Arthur Leonard Schawlow [ 2 ] . Fue demostrado por primera vez por Wineland, Drullinger y Walls en 1978 [ 3 ] , y poco después por Neuhauser, Hohenstatt, Toschek y Dehmelt [ 4 ] . Una forma conceptualmente simple de enfriamiento Doppler se conoce como melaza óptica , ya que la fuerza óptica disipativa se asemeja a la resistencia viscosa de un cuerpo que se mueve a través de la melaza. Steven Chu , Claude Cohen-Tannoudji y William D. Phillips recibieron el Premio Nobel de Física de 1997 por su trabajo en enfriamiento láser y atrapamiento de átomos [ 5 ] .

Breve explicación

El enfriamiento Doppler implica el uso de luz con una frecuencia ligeramente inferior a la de una transición electrónica en un átomo . Debido a que la luz está desintonizada hacia el "rojo" (es decir, a una frecuencia más baja) de la transición, los átomos absorberán más fotones si se mueven hacia la fuente de luz, debido al efecto Doppler .

Consideremos el caso más simple de movimiento unidimensional en el eje x . Supongamos que el fotón se mueve en la dirección + x y el átomo en la dirección −x . En cada evento de absorción, el átomo pierde un momento igual al del fotón. El átomo, que ahora se encuentra en estado excitado, emite un fotón de forma espontánea pero aleatoria en la dirección + x o −x . El momento se devuelve al átomo. Si el fotón se emitió en la dirección + x , no hay cambio neto; sin embargo, si se emitió en la dirección −x , el átomo se mueve más lentamente en ambas direcciones .

El resultado neto del proceso de absorción y emisión es una disminución de la velocidad del átomo, siempre que su velocidad inicial sea mayor que la velocidad de retroceso producida por la dispersión de un solo fotón. Si la absorción y la emisión se repiten muchas veces, la velocidad media y, por lo tanto, la energía cinética del átomo, disminuirán. Dado que la temperatura de un conjunto de átomos es una medida de la energía cinética interna aleatoria, esto equivale a enfriar los átomos.

El límite de enfriamiento Doppler es la temperatura mínima que se puede alcanzar con el enfriamiento Doppler.

Explicación detallada

La gran mayoría de los fotones que se aproximan a un átomo en particular son casi [ 6 ] completamente inalterados por ese átomo. El átomo es casi completamente transparente a la mayoría de las frecuencias (colores) de los fotones.

Algunos fotones resuenan con el átomo en bandas de frecuencia muy estrechas (un solo color, en lugar de una mezcla como la luz blanca ). Cuando uno de esos fotones se acerca al átomo, este lo absorbe ( espectro de absorción ) durante un breve periodo de tiempo y luego emite un fotón idéntico ( espectro de emisión ) en una dirección aleatoria e impredecible. (Existen otros tipos de interacciones entre átomos y fotones, pero no son relevantes para este artículo).

La idea popular de que los láseres aumentan la energía térmica de la materia no se cumple al examinar átomos individuales. Si un átomo está prácticamente inmóvil (un átomo "frío") y se puede controlar la frecuencia de un láser enfocado sobre él, la mayoría de las frecuencias no lo afectan ; es invisible a esas frecuencias. Solo existen unos pocos puntos de frecuencia electromagnética que tienen algún efecto sobre ese átomo. A esas frecuencias, el átomo puede absorber un fotón del láser, mientras transita a un estado electrónico excitado, y adquirir el momento de ese fotón. Dado que el átomo ahora tiene el momento del fotón, debe comenzar a desplazarse en la dirección en la que viajaba el fotón. Poco tiempo después, el átomo emitirá espontáneamente un fotón en una dirección aleatoria al relajarse a un estado electrónico inferior. Si ese fotón se emite en la dirección del fotón original, el átomo cederá su momento al fotón y volverá a quedar inmóvil. Si el fotón se emite en la dirección opuesta, el átomo tendrá que proporcionarle impulso en esa dirección, lo que significa que adquirirá aún más impulso en la dirección del fotón original (para conservar el impulso), duplicando su velocidad inicial. Pero normalmente el fotón se aleja rápidamente en alguna otra dirección, proporcionando al átomo al menos cierto impulso lateral.

Otra forma de modificar las frecuencias es cambiando la posición del láser, por ejemplo, utilizando un láser monocromático (de un solo color) con una frecuencia ligeramente inferior a una de las frecuencias de resonancia de este átomo (a la cual el láser no afecta directamente su estado). Si el láser se posicionara de manera que se moviera hacia los átomos observados, el efecto Doppler aumentaría su frecuencia. A una velocidad específica, la frecuencia sería la precisa para que dichos átomos comenzaran a absorber fotones.

Algo muy similar ocurre en un aparato de enfriamiento láser, con la diferencia de que estos dispositivos parten de una nube caliente de átomos que se mueven en numerosas direcciones a velocidad variable. Al comenzar con una frecuencia láser muy inferior a la frecuencia de resonancia, los fotones de cualquier láser atraviesan la mayoría de los átomos. Sin embargo, los átomos que se mueven rápidamente hacia un láser en particular captan los fotones de ese láser, ralentizándolos hasta que vuelven a ser transparentes. (Los átomos que se alejan rápidamente de ese láser son transparentes a los fotones de ese láser , pero se mueven rápidamente hacia el láser opuesto). Esta utilización de una velocidad específica para inducir la absorción también se observa en la espectroscopia Mössbauer .

En un gráfico de velocidades atómicas (los átomos que se mueven rápidamente hacia la derecha se corresponden con puntos fijos muy a la derecha, y los que se mueven rápidamente hacia la izquierda con puntos fijos muy a la izquierda), hay una banda estrecha en el borde izquierdo que corresponde a la velocidad a la que esos átomos comienzan a absorber fotones del láser izquierdo. Solo los átomos en esa banda interactúan con el láser izquierdo. Cuando un fotón del láser izquierdo impacta contra uno de esos átomos, este se ralentiza repentinamente una cantidad correspondiente al momento de ese fotón (el punto se redibujaría una distancia "cuántica" fija más a la derecha). Si el átomo libera el fotón directamente hacia la derecha, el punto se redibuja esa misma distancia hacia la izquierda, volviendo a la banda estrecha de interacción. Pero, por lo general, el átomo libera el fotón en alguna otra dirección aleatoria, y el punto se redibuja esa distancia cuántica en la dirección opuesta.

Dicho aparato se construiría con muchos láseres, que corresponderían a muchas líneas de contorno que rodean completamente esa nube de puntos.

A medida que aumenta la frecuencia del láser, el límite se contrae, empujando todos los puntos de ese gráfico hacia la velocidad cero, la definición dada de "frío".

Límites

Temperatura mínima

La temperatura Doppler es la temperatura mínima que se puede alcanzar con el enfriamiento Doppler.

Cuando un fotón es absorbido por un átomo que se propaga en sentido contrario a la fuente de luz, su velocidad disminuye por conservación del momento . Cuando el fotón absorbido es emitido espontáneamente por el átomo excitado , el átomo recibe un impulso de momento en una dirección aleatoria. Las emisiones espontáneas son isotrópicas y, por lo tanto, estos impulsos de momento se promedian a cero para la velocidad media. Por otro lado, la velocidad cuadrática media,⟨v2⟩{\displaystyle \langle v^{2}\rangle }, no es cero en el proceso aleatorio, y por lo tanto se suministra calor al átomo. [ 7 ] En equilibrio, las tasas de calentamiento y enfriamiento son iguales, lo que establece un límite en la cantidad en que el átomo puede enfriarse. Como las transiciones utilizadas para el enfriamiento Doppler tienen anchos de línea naturales ampliosγ{\displaystyle \gamma }(medido en radianes por segundo ), esto establece el límite inferior de la temperatura de los átomos después del enfriamiento en [ 8 ].

TDopagpaglmir=ℏγ/(2kB),{\displaystyle T_{\mathrm {Doppler} }=\hbar \gamma /(2k_{\text{B}}),}

dóndekB{\displaystyle k_{\text{B}}}es la constante de Boltzmann yℏ{\displaystyle \hbar }es la constante de Planck reducida . Esta suele ser mucho mayor que la temperatura de retroceso , que es la temperatura asociada al momento ganado por la emisión espontánea de un fotón.

El límite Doppler se ha verificado con un gas de helio metaestable. [ 9 ]

Refrigeración sub-Doppler

Se han alcanzado temperaturas muy por debajo del límite Doppler mediante diversos métodos de enfriamiento láser, como el enfriamiento de Sísifo , el enfriamiento evaporativo y el enfriamiento por bandas laterales resueltas . La teoría del enfriamiento Doppler presupone un átomo con una estructura simple de dos niveles, mientras que la mayoría de las especies atómicas enfriadas por láser presentan una estructura hiperfina compleja. Mecanismos como el enfriamiento de Sísifo, debido a la presencia de múltiples estados fundamentales, dan lugar a temperaturas inferiores al límite Doppler.

Concentración máxima

La concentración debe ser mínima para evitar la absorción de los fotones por el gas en forma de calor. Esta absorción se produce cuando dos átomos colisionan mientras uno de ellos posee un electrón excitado. Existe entonces la posibilidad de que el electrón excitado regrese a su estado fundamental, liberando su energía adicional en forma de energía cinética para los átomos que colisionan , lo que calienta estos últimos. Esto dificulta el proceso de enfriamiento y, por lo tanto, limita la concentración máxima de gas que se puede enfriar mediante este método.

Estructura atómica

Solo ciertos átomos e iones poseen transiciones ópticas susceptibles de enfriamiento láser, dado que resulta extremadamente difícil generar la potencia láser necesaria en longitudes de onda inferiores a 300  nm. Además, cuanta más estructura hiperfina tenga un átomo, mayor será la probabilidad de que emita un fotón desde el estado excitado sin regresar a su estado original, lo que lo sitúa en un estado oscuro y lo excluye del proceso de enfriamiento. Si bien es posible utilizar otros láseres para bombear ópticamente estos átomos de nuevo al estado excitado e intentarlo nuevamente, cuanto más compleja sea la estructura hiperfina, mayor será la cantidad de láseres (de banda estrecha y frecuencia fija) necesarios. Dado que los láseres de frecuencia fija son complejos y costosos, los átomos que requieren más de un láser de bombeo adicional rara vez se enfrían; por ejemplo, la trampa magnetoóptica de rubidio común requiere un láser de bombeo. Esta es también la razón por la que, en general, las moléculas son difíciles de enfriar con láser: además de la estructura hiperfina, las moléculas también presentan acoplamientos rovibrónicos , por lo que pueden decaer a estados rotacionales o vibracionales excitados. Sin embargo, se ha demostrado el enfriamiento láser de moléculas, primero con moléculas de SrF, [ 10 ] y posteriormente con otras diatómicas como CaF [ 11 ] [ 12 ] y YO. [ 13 ]

Configuraciones

Se pueden utilizar conjuntos de haces láser que se propagan en direcciones opuestas en las tres dimensiones cartesianas para enfriar los tres grados de libertad de movimiento del átomo. Las configuraciones comunes de enfriamiento láser incluyen la melaza óptica, la trampa magnetoóptica y el ralentizador Zeeman .

Los iones atómicos, atrapados en una trampa iónica , pueden enfriarse con un solo haz láser siempre que este tenga componentes en los tres grados de libertad de movimiento. Esto contrasta con los seis haces necesarios para atrapar átomos neutros. Los experimentos originales de enfriamiento láser se realizaron con iones en trampas iónicas. (En teoría, los átomos neutros podrían enfriarse con un solo haz si pudieran quedar atrapados en una trampa profunda, pero en la práctica, las trampas para átomos neutros son mucho menos profundas que las trampas iónicas y un solo retroceso puede ser suficiente para expulsar un átomo neutro de la trampa).

Aplicaciones

Una de las aplicaciones del enfriamiento Doppler es la técnica de melaza óptica . Este proceso forma parte de la trampa magnetoóptica, pero puede utilizarse de forma independiente.

El enfriamiento Doppler también se utiliza en espectroscopia y metrología, donde permite obtener características espectroscópicas más nítidas. Por ejemplo, todas las mejores tecnologías de relojes atómicos emplean el enfriamiento Doppler en algún momento.

Véase también

Referencias

  1. ^ Vinoland, DJ; Dehmelt, H. (1975). "Propuesto 10 14Δ ν < ν Espectroscopia de fluorescencia láser en Tl +Oscilador monoiónico III" (PDF) . Boletín de la Sociedad Estadounidense de Física . 20 : 637.
  2. ↑ Hänsch, TW; Shawlow, AL (1975). "Enfriamiento de gases mediante radiación láser" . Optics Communications . 13 (1): 68. Bibcode : 1975OptCo..13...68H . doi : 10.1016/0030-4018(75)90159-5 .
  3. ↑ Wineland, DJ; Drullinger, RE; Walls, FL (1978). "Enfriamiento por presión de radiación de absorbedores resonantes ligados" . Physical Review Letters . 40 (25): 1639. Bibcode : 1978PhRvL..40.1639W . doi : 10.1103/PhysRevLett.40.1639 .
  4. ↑ Neuhauser, W.; Hohenstatt, M.; Toschek, P.; Dehmelt, H. (1978). "Enfriamiento de banda lateral óptica de una nube de átomos visibles confinada en un pozo parabólico". Physical Review Letters . 41 (4): 233. Bibcode : 1978PhRvL..41..233N . doi : 10.1103/PhysRevLett.41.233 .
  5. ↑ "El Premio Nobel de Física de 1997" . Fundación Nobel. Archivado del original el 7 de octubre de 2008. Consultado el 9 de octubre de 2008 .
  6. ↑ Existen procesos, como la dispersión de Rayleigh y Raman , mediante los cuales los átomos y las moléculas dispersan fotones no resonantes; véase, por ejemplo, Hecht, E.; Zajac, A. (1974). Optics . Addison-Wesley . ISBN 978-0-201-02835-5.Sin embargo, este tipo de dispersión suele ser muy débil en comparación con la absorción y emisión resonante (es decir, la fluorescencia).
  7. ↑ Lett, PD; Phillips, WD; Rolston, SL; Tanner, CE ; Watts, RN; Westbrook, CI (1989). "Melaza óptica" . Journal of the Optical Society of America B. 6 ( 11): 2084–2107 . Bibcode : 1989JOSAB...6.2084L . doi : 10.1364/JOSAB.6.002084 .
  8. ↑ Letokhov, VS; Minogin, VG; Pavlik, BD (1977). "Enfriamiento y captura de átomos y moléculas por un campo de luz resonante". Soviet Physics JETP . 45 : 698. Bibcode : 1977JETP...45..698L .
  9. ↑ Chang, R.; Hoendervanger, AL; Bouton, Q.; Fang, Y.; Klafka, T.; Audo, K.; Aspect, A.; Westbrook, CI; Clément, D. (2014). "Enfriamiento láser tridimensional en el límite Doppler". Physical Review A . 90 (6) 063407. arXiv : 1409.2519 . Bibcode : 2014PhRvA..90f3407C . doi : 10.1103/PhysRevA.90.063407 . S2CID 55013080 . 
  10. ↑ Shuman, ES; Barry, JF; DeMille, D. (2010). "Enfriamiento láser de una molécula diatómica". Nature . 467 (7317): 820– 823. arXiv : 1103.6004 . Bibcode : 2010Natur.467..820S . doi : 10.1038/nature09443 . PMID 20852614 . S2CID 4430586 .  
  11. ↑ "Enfriamiento láser de CaF" . doylegroup.harvard.edu/ . Grupo Doyle, Universidad de Harvard . Consultado el 9 de noviembre de 2015 .
  12. ↑ Zhelyazkova, V.; Cournol, A.; Wall, TE; Matsushima, A.; Hudson, JJ; Hinds, EA; Tarbutt, MR; Sauer, BE (2014). "Enfriamiento láser y ralentización de moléculas de CaF". Physical Review A . 89 (5) 053416. arXiv : 1308.0421 . Bibcode : 2014PhRvA..89e3416Z . doi : 10.1103/PhysRevA.89.053416 . S2CID 119285667 . 
  13. ↑ Hummon, MT; Yeo, M.; Stuhl, BK; Collopy, AL; Xia, Y.; Ye, J. (2013). "Trampa magnetoóptica 2D de moléculas diatómicas". Physical Review Letters . 110 (14) 143001. arXiv : 1209.4069 . Bibcode : 2013PhRvL.110n3001H . doi : 10.1103/PhysRevLett.110.143001 . PMID 25166984 . S2CID 13718902 .  

Lecturas adicionales

  • Foot, CJ (2005). Física atómica . Oxford University Press . pp. 182–213 . ISBN  978-0-19-850696-6.
  • Metcalf, HJ; van der Straten, P. (1999). Enfriamiento y captura por láser . Springer-Verlag . ISBN 978-0-387-98728-6.
  • Phillips, WD (1997). "Enfriamiento láser y atrapamiento de átomos" (PDF) . Conferencia Nobel . Fundación Nobel . págs. 199–237 .