En física atómica , el enfriamiento Raman es una técnica de enfriamiento de retroceso que permite el enfriamiento de átomos utilizando métodos ópticos por debajo de las limitaciones del enfriamiento Doppler, estando el enfriamiento Doppler limitado por la energía de retroceso de un fotón dado a un átomo. Este esquema se puede realizar en melazas ópticas simples o en melazas donde se ha superpuesto una celosía óptica , que se denominan respectivamente enfriamiento Raman de espacio libre [1] y enfriamiento de banda lateral Raman. [2] Ambas técnicas hacen uso de la dispersión Raman de luz láser por los átomos.
Proceso Raman de dos fotones
La transición entre dos estados hiperfinos del átomo puede desencadenarse mediante dos rayos láser : el primer rayo excita al átomo a un estado virtual excitado (por ejemplo, porque su frecuencia es menor que la frecuencia de transición real) y el segundo rayo desexcita al átomo al otro nivel hiperfino. La diferencia de frecuencia de los dos haces es exactamente igual a la frecuencia de transición entre los dos niveles hiperfinos.
La ilustración de este proceso se muestra en la ilustración esquemática de un proceso Raman de dos fotones. Permite la transición entre los dos niveles. y . El nivel virtual intermedio está representado por la línea discontinua, y está desafinado en rojo con respecto al nivel excitado real,. La diferencia de frecuencia aquí coincide exactamente con la diferencia de energía entre y .
Refrigeración Raman de espacio libre
En este esquema, una nube de átomos preenfriados (cuya temperatura es de unas pocas decenas de microkelvins) experimenta una serie de pulsos de procesos similares a Raman. Los haces se propagan en contra, y sus frecuencias son como las descritas anteriormente, excepto que la frecuenciaahora está ligeramente desafinado al rojo (desafinando) con respecto a su valor normal. Así, los átomos que se muevan hacia la fuente del láser 2 con una velocidad suficiente resonarán con los pulsos Raman, gracias al efecto Doppler . Estarán emocionados por el estado, y obtener una patada de impulso que disminuye el módulo de su velocidad.
Si se intercambian las direcciones de propagación de los dos láseres, los átomos que se mueven en la dirección opuesta se excitarán y obtendrán el impulso que disminuirá el módulo de sus velocidades. Intercambiando regularmente las direcciones de propagación de los láseres y variando la desafinación, uno puede lograr tener todos los átomos para los que la velocidad inicial satisface en el estado , mientras que los átomos tales que todavía están en el Expresar. Entonces se enciende un nuevo haz, cuya frecuencia es exactamente la frecuencia de transición entre y . Esto bombeará ópticamente los átomos del estado al estado, y las velocidades serán aleatorias por este proceso, de modo que una fracción de los átomos en adquirirá una velocidad .
Al repetir este proceso varias veces (ocho en el artículo original, ver referencias), la temperatura de la nube se puede bajar a menos de un microkelvin.
Refrigeración de banda lateral Raman
Este esquema de enfriamiento comienza con los átomos en una trampa magnetoóptica . Luego se aumenta una red óptica, de modo que una fracción importante de los átomos queda atrapada. Si los láseres de la celosía son lo suficientemente potentes, cada sitio puede modelarse como una trampa armónica. Dado que los átomos no están en su estado fundamental, quedarán atrapados en uno de los niveles excitados del oscilador armónico. El objetivo del enfriamiento de banda lateral Raman es poner los átomos en el estado fundamental del potencial armónico en el sitio de la red.
Consideramos un átomo de dos niveles, el estado fundamental del cual tiene un número cuántico de F = 1, tal que es degenerado tres veces con m = -1, 0 o 1. Se agrega un campo magnético, que levanta la degeneración en m debido al efecto Zeeman . Su valor está exactamente sintonizado de tal manera que la división de Zeeman entre m = -1 ym = 0 y entre m = 0 ym = 1 es igual a la separación de dos niveles en el potencial armónico creado por la celosía.
Por medio de los procesos Raman, un átomo se puede transferir a un estado en el que el momento magnético ha disminuido en uno y el estado vibratorio también ha disminuido en uno (flechas rojas en la imagen). Después de eso, los átomos que están en el estado vibratorio más bajo del potencial de red (pero con) son bombeados ópticamente al estado m = 1 (función del y haces de luz). Dado que la temperatura de los átomos es lo suficientemente baja con respecto a las frecuencias del haz de bombeo, es muy probable que el átomo no cambie su estado vibratorio durante el proceso de bombeo. Por lo tanto, termina en un estado vibratorio más bajo, que es como se enfría. Para alcanzar esta transferencia eficiente al estado vibratorio más bajo en cada paso, los parámetros del láser, es decir, la potencia y la sincronización, deben sintonizarse cuidadosamente. En general, estos parámetros son diferentes para diferentes estados vibratorios porque la fuerza del acoplamiento ( frecuencia Rabi ) depende del nivel vibratorio. Una complicación adicional de esta imagen ingenua surge del retroceso de los fotones , que impulsan esta transición. La última complicación se puede evitar generalmente realizando un enfriamiento en el llamado régimen de Lamb Dicke . En este régimen, el átomo queda atrapado con tanta fuerza en la red óptica que efectivamente no cambia su momento debido al retroceso del fotón. La situación es similar al efecto Mössbauer .
Este esquema de enfriamiento permite obtener una densidad bastante alta de átomos a baja temperatura utilizando solo técnicas ópticas. Por ejemplo, la condensación de cesio de Bose-Einstein se logró por primera vez en un experimento que utilizó el enfriamiento de banda lateral Raman como primer paso. [3] Experimentos recientes han demostrado que incluso es suficiente lograr la condensación de Bose-Einstein directamente. [4]
Referencias
- ^ Kasevich, Mark; Chu, Steven (21 de septiembre de 1992). "El láser se enfría por debajo de un retroceso de fotones con átomos de tres niveles". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 69 (12): 1741-1744. doi : 10.1103 / physrevlett.69.1741 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Kerman, Andrew J .; Vuletić, Vladan; Chin, Cheng; Chu, Steven (17 de enero de 2000). "Más allá de la melaza óptica: enfriamiento de banda lateral Raman 3D de cesio atómico a alta densidad de espacio de fase". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 84 (3): 439–442. doi : 10.1103 / physrevlett.84.439 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Weber, T .; Herbig, J .; Mark, M .; Nägerl, H.-C .; Grimm, R. (5 de diciembre de 2002). "Condensación de cesio de Bose-Einstein". Ciencia . Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS). 299 (5604): 232–235. doi : 10.1126 / science.1079699 . ISSN 0036-8075 .
- ^ Hu, Jiazhong; Urvoy, Alban; Vendeiro, Zachary; Crépel, Valentin; Chen, Wenlan; Vuletić, Vladan (23 de noviembre de 2017). "Creación de un gas condensado Bose de 87 Rb por enfriamiento por láser" . Ciencia . Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS). 358 (6366): 1078–1080. doi : 10.1126 / science.aan5614 . ISSN 0036-8075 .