El enfriamiento Doppler es un mecanismo que puede usarse para atrapar y ralentizar el movimiento de los átomos para enfriar una sustancia. El término a veces se usa como sinónimo de enfriamiento por láser , aunque el enfriamiento por láser incluye otras técnicas.
Historia
El enfriamiento Doppler fue propuesto simultáneamente por dos grupos en 1975, el primero fue David J. Wineland y Hans Georg Dehmelt [1] y el segundo fue 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. Una forma conceptualmente simple de enfriamiento Doppler se conoce como melaza óptica , ya que la fuerza óptica disipativa se asemeja al arrastre viscoso de un cuerpo que se mueve a través de la melaza. Steven Chu , Claude Cohen-Tannoudji y William D. Phillips fueron galardonados con el Premio Nobel de Física de 1997 por su trabajo en refrigeración por láser y atrapamiento de átomos.
Breve explicacion
El enfriamiento Doppler involucra luz con frecuencia sintonizada ligeramente por debajo de una transición electrónica en un átomo . Debido a que la luz está desafinada al "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 .
Considere el caso más simple de movimiento 1D en el eje x . Sea el fotón viajando 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 a lo largo de + x o - x . El momento se devuelve al átomo. Si el fotón se emitió a lo largo de + x, entonces no hay cambio neto; sin embargo, si el fotón se emitió a lo largo de - x, entonces el átomo se mueve más lentamente en - x o + x .
El resultado neto del proceso de absorción y emisión es una velocidad reducida del átomo, con la condición de que su velocidad inicial sea mayor que la velocidad de retroceso de la dispersión de un solo fotón. Si la absorción y la emisión se repiten muchas veces, se reducirá la velocidad media y, por tanto, la energía cinética del átomo. 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 acercan a un átomo en particular casi [4] no se ven afectados 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 unas pocas bandas de frecuencias muy estrechas (un solo color en lugar de una mezcla como la luz blanca ). Cuando uno de esos fotones se acerca al átomo, el átomo generalmente absorbe ese fotón ( espectro de absorción ) durante un breve período de tiempo, luego emite un fotón idéntico ( espectro de emisión ) en alguna 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 es el caso cuando se examinan átomos individuales. Si un átomo dado está prácticamente inmóvil (un átomo "frío") y se puede controlar la frecuencia de un láser enfocado en él, la mayoría de las frecuencias no afectan al átomo; es invisible en esas frecuencias. Solo hay 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 pasa a un estado electrónico excitado, y tomar el impulso de ese fotón. Dado que el átomo ahora tiene el impulso del fotón, el átomo 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, mientras se relaja a un estado electrónico inferior. Si ese fotón se emite en la dirección del fotón original, el átomo cederá su impulso al fotón y volverá a quedarse inmóvil. Si el fotón se emite en la dirección opuesta, el átomo tendrá que proporcionar impulso en esa dirección opuesta, lo que significa que el átomo tomará aún más impulso en la dirección del fotón original (para conservar el impulso), con el doble de su velocidad original. . Pero, por lo general, el fotón se aleja en otra dirección, lo que le da al átomo al menos algo de empuje lateral.
Otra forma de cambiar las frecuencias es cambiar la posición del láser. Por ejemplo, usando un láser monocromático (de un solo color) que tiene una frecuencia que está un poco por debajo de una de las frecuencias "resonantes" de este átomo (a cuya frecuencia el láser no afectará directamente el estado del átomo). Si el láser se posicionara de manera que se moviera hacia los átomos observados, entonces el efecto Doppler aumentaría su frecuencia. A una velocidad específica, la frecuencia sería precisamente correcta para que dichos átomos comiencen a absorber fotones.
Algo muy similar sucede en un aparato de enfriamiento por láser, excepto que dichos dispositivos comienzan con una nube cálida de átomos que se mueven en numerosas direcciones a velocidad variable. Comenzando con una frecuencia de láser muy por debajo de 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 atrapan los fotones de ese láser, ralentizando esos átomos hasta que se vuelven transparentes nuevamente. (Átomos mueven rápidamente lejos de que el láser son transparentes a la de que fotones láser, pero se están moviendo rápidamente hacia el láser directamente enfrente de ella). Esta utilización de una velocidad específica para inducir la absorción también se observa en la espectroscopia de Mössbauer .
En un gráfico de velocidades de los átomos (los átomos que se mueven rápidamente hacia la derecha se corresponden con puntos estacionarios muy a la derecha, los átomos que se mueven rápidamente a la izquierda se corresponden con puntos estacionarios muy a la izquierda), hay una banda estrecha en el borde izquierdo correspondiente al velocidad, esos átomos comienzan a absorber fotones del láser izquierdo. Los átomos de esa banda son los únicos que interactúan con el láser izquierdo. Cuando un fotón del láser izquierdo choca contra uno de esos átomos, de repente ralentiza una cantidad correspondiente al impulso de ese fotón (el punto se volvería a dibujar una distancia "cuántica" fija más hacia la derecha). Si el átomo libera el fotón directamente a la derecha, entonces el punto se vuelve a dibujar a la misma distancia a la izquierda, colocándolo nuevamente en la banda estrecha de interacción. Pero generalmente el átomo libera el fotón en alguna otra dirección aleatoria, y el punto se vuelve a dibujar esa distancia cuántica en la dirección opuesta.
Tal aparato se construiría con muchos láseres, correspondientes a muchas líneas limítrofes que rodean completamente esa nube de puntos.
A medida que aumenta la frecuencia del láser, el límite se contrae, empujando todos los puntos en ese gráfico hacia la velocidad cero, la definición dada de "frío".
Limites
Temperatura mínima
La temperatura Doppler es la temperatura mínima alcanzable con enfriamiento Doppler.
Cuando un fotón es absorbido por un átomo que se propaga en contra de la fuente de luz, su velocidad disminuye debido a la conservación del momento . Cuando el fotón absorbido es emitido espontáneamente por el átomo excitado , el átomo recibe un impulso en una dirección aleatoria. Las emisiones espontáneas son isotrópicas y, por lo tanto, el impulso alcanza un promedio de cero para la velocidad media. Por otro lado, la velocidad cuadrática media,, no es cero en el proceso aleatorio y, por lo tanto, se suministra calor al átomo. [5] En el equilibrio, las velocidades de calentamiento y enfriamiento son iguales, lo que establece un límite en la cantidad en la que se puede enfriar el átomo. Como las transiciones utilizadas para el enfriamiento Doppler tienen anchos de línea naturales amplios (medido en radianes por segundo ), esto establece el límite inferior de la temperatura de los átomos después del enfriamiento en [6]
dónde es la constante de Boltzmann yes la constante de Planck reducida . Esta suele ser mucho más alta que la temperatura de retroceso , que es la temperatura asociada con el impulso ganado por la emisión espontánea de un fotón.
El límite Doppler se ha verificado con un gas de helio metaestable. [7]
Enfriamiento sub-Doppler
Se han alcanzado temperaturas muy por debajo del límite Doppler con varios métodos de enfriamiento por láser, incluido el enfriamiento Sisyphus y el enfriamiento por evaporación . La teoría del enfriamiento Doppler asume un átomo con una estructura simple de dos niveles, mientras que la mayoría de las especies atómicas enfriadas por láser tienen una estructura hiperfina complicada. Mecanismos como el enfriamiento de Sísifo debido a múltiples estados fundamentales conducen a temperaturas más bajas que el límite Doppler.
Concentración máxima
La concentración debe ser mínima para evitar la absorción de fotones en el gas en forma de calor. Esta absorción ocurre cuando dos átomos chocan entre sí mientras uno de ellos tiene un electrón excitado. Entonces existe la posibilidad de que el electrón excitado vuelva al estado fundamental con su energía extra liberada en energía cinética adicional a los átomos en colisión, lo que calienta los átomos. Esto va en contra del proceso de enfriamiento y, por lo tanto, limita la concentración máxima de gas que se puede enfriar con este método.
Estructura atomica
Solo ciertos átomos e iones tienen transiciones ópticas susceptibles de enfriamiento por láser, ya que es extremadamente difícil generar las cantidades de potencia láser necesarias en longitudes de onda mucho más cortas que 300 nm. Además, cuanto más estructura hiperfina tiene un átomo, más formas hay de que emita un fotón desde el estado superior y no vuelva a su estado original, poniéndolo en un estado oscuro y eliminándolo del proceso de enfriamiento. Es posible utilizar otros láseres para bombear ópticamente esos átomos de nuevo al estado excitado e intentarlo de nuevo, pero cuanto más compleja es la estructura hiperfina, más láseres (de banda estrecha, bloqueados en frecuencia) se requieren. Dado que los láseres con bloqueo de frecuencia son complejos y costosos, los átomos que necesitan más de un láser de reputación adicional rara vez se enfrían; la trampa magneto-óptica de rubidio común , por ejemplo, requiere un láser de reputación. Esta es también la razón por la que las moléculas son en general difíciles de enfriar con láser: además de la estructura hiperfina, las moléculas también tienen acoplamientos rovibrónicos y, por lo tanto, también pueden decaer en estados de rotación o vibración excitados. Sin embargo, se ha demostrado que el enfriamiento por láser de moléculas funciona primero para las moléculas de SrF, [8] y posteriormente también para otras diatómicas como CaF [9] [10] y YO [11] .
Configuraciones
Se pueden usar conjuntos de rayos láser contrapropagados en las tres dimensiones cartesianas para enfriar los tres grados de libertad de movimiento del átomo. Las configuraciones comunes de enfriamiento por láser incluyen melaza óptica, la trampa magnetoóptica y el Zeeman más lento .
Los iones atómicos, atrapados en una trampa de iones , se pueden enfriar con un solo rayo láser siempre que ese rayo tenga un componente a lo largo de los tres grados de libertad de movimiento. Esto contrasta con los seis haces necesarios para atrapar átomos neutros. Los experimentos originales de enfriamiento por láser se realizaron con iones en trampas de iones. (En teoría, los átomos neutrales podrían enfriarse con un solo haz si pudieran quedar atrapados en una trampa profunda, pero en la práctica, las trampas neutrales son mucho más superficiales que las trampas de iones y un solo evento de retroceso puede ser suficiente para expulsar a un átomo neutro de la trampa. trampa.)
Aplicaciones
Un uso del enfriamiento Doppler es la técnica de melaza óptica . Este proceso en sí forma parte de la trampa magnetoóptica, pero se puede utilizar de forma independiente.
El enfriamiento Doppler también se usa en espectroscopía y metrología, donde el enfriamiento permite características espectroscópicas más estrechas. Por ejemplo, todas las mejores tecnologías de reloj atómico involucran enfriamiento Doppler en algún momento.
Ver también
- Trampa magneto-óptica
- Refrigeración de banda lateral resuelta
Referencias
- ^ Wineland, DJ; Dehmelt, H. (1975). "Propuesto 10 14 Δν <ν Espectroscopia de fluorescencia láser en Tl+Oscilador mono-iónico III " (PDF) . Boletín de la Sociedad Estadounidense de Física . 20 : 637.
- ^ Hänsch, TW; Shawlow, AL (1975). "Enfriamiento de gases por radiación láser" . Comunicaciones ópticas . 13 (1): 68. Bibcode : 1975OptCo..13 ... 68H . doi : 10.1016 / 0030-4018 (75) 90159-5 .
- ^ Wineland, DJ; Drullinger, RE; Paredes, Florida (1978). "Enfriamiento por presión de radiación de absorbentes resonantes enlazados" . Cartas de revisión física . 40 (25): 1639. Bibcode : 1978PhRvL..40.1639W . doi : 10.1103 / PhysRevLett.40.1639 .
- ^ Hay procesos, como la dispersión de Rayleigh y Raman , mediante los cuales los átomos y las moléculas dispersan fotones no resonantes; ver, por ejemplo, Hecht, E .; Zajac, A. (1974). Óptica . Addison-Wesley . ISBN 978-0-201-02835-5. Este tipo de dispersión, sin embargo, es normalmente muy débil en comparación con la absorción y emisión resonantes (es decir, fluorescencia).
- ^ Lett, PD; Phillips, WD; Rolston, SL; Tanner, CE; Watts, RN; Westbrook, CI (1989). "Melaza óptica" . Revista de la Sociedad Americana de Óptica B . 6 (11): 2084–2107. Código bibliográfico : 1989JOSAB ... 6.2084L . doi : 10.1364 / JOSAB.6.002084 .
- ^ Letokhov, VS; Minogin, VG; Pavlik, BD (1977). "Enfriamiento y captura de átomos y moléculas por un campo de luz resonante". Física soviética JETP . 45 : 698. Bibcode : 1977JETP ... 45..698L .
- ^ Chang, R .; Hoendervanger, AL; Bouton, Q .; Fang, Y .; Klafka, T .; Audo, K .; Aspecto, A .; Westbrook, CI; Clément, D. (2014). "Enfriamiento láser tridimensional en el límite Doppler". Physical Review A . 90 (6): 063407. arXiv : 1409.2519 . Código bibliográfico : 2014PhRvA..90f3407C . doi : 10.1103 / PhysRevA.90.063407 .
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- ^ "Laser Cooling CaF" . doylegroup.harvard.edu/ . Doyle Group, Universidad de Harvard . Consultado el 9 de noviembre de 2015 .
- ^ 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 . Código bibliográfico : 2014PhRvA..89e3416Z . doi : 10.1103 / PhysRevA.89.053416 .
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Otras lecturas
- Pie, CJ (2005). Física atómica . Prensa de la Universidad de Oxford . págs. 182 –213. ISBN 978-0-19-850696-6.
- Metcalf, HJ; van der Straten, P. (1999). Enfriamiento y atrapamiento 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.