도플러 냉각

Doppler cooling
도플러 레이저 냉각의 간단한 원리:
1 정지된 원자는 레이저가 빨강이나 파랑으로 바뀌지 않고 광자를 흡수하지 않는다.
2 레이저로부터 멀어지는 원자는 그것이 붉게 변하여 광자를 흡수하지 않는 것을 본다.
3.1 레이저를 향해 움직이는 원자는 그것을 파란색으로 변하여 광자를 흡수하여 원자의 속도를 늦춘다.
3.2 광자는 원자를 흥분시켜 전자를 더 높은 양자 상태로 이동시킨다.
3.3 원자가 광자를 다시 방출하다. 그것의 방향은 무작위적이기 때문에, 많은 원자들에 대한 운동량의 순변화는 없다.

도플러 냉각은 물질을 냉각시키기 위해 원자의 움직임을 가둬놓고 느리게 하는 데 사용될 수 있는 메커니즘이다. 레이저 냉각에는 다른 기술이 포함되지만 이 용어는 레이저 냉각과 동의어로 쓰이기도 한다.

역사

도플러 냉각은 1975년 두 그룹에 의해 동시에 제안되었는데, 첫째는 데이비드 J. 위닝랜드와 한스 게오르크 데멜트[1], 둘째는 테오도르 W. 헨쉬와 아서 레너드 [2]쇼로우 1978년[3] 윈랜드, 드룰링거, 월스에 의해 처음 시연되었고 얼마 지나지 않아 뉴하우저, 호엔슈타트, 토섹, 데멜트 등이 시연하였다. 개념적으로 간단한 도플러 냉각의 한 형태를 광학 당밀이라고 하는데, 이는 소멸하는 광학적 힘이 당밀을 통해 움직이는 신체의 점성적인 끌림을 닮았기 때문이다. 스티븐 추, 클로드 코헨-탄누지, 윌리엄 D. 필립스는 레이저 냉각과 원자 포획에 관한 연구로 1997년 노벨 물리학상을 받았다.

간략한 설명

도플러 냉각은 원자에서 전자 전환보다 약간 아래에 주파수가 튜닝된 빛을 포함한다. 빛이 변환의 "빨간색"(즉, 낮은 주파수에서)으로 분리되기 때문에 원자는 도플러 효과로 인해 광원을 향해 이동하면 더 많은 광자를 흡수할 것이다.

x축에서 1D 모션의 가장 간단한 경우를 생각해 보십시오. 광자는 +x 방향으로, 원자는 -x 방향으로 이동하도록 한다. 각 흡수 이벤트에서 원자는 광자의 운동량과 동일한 운동량을 상실한다. 지금 흥분 상태에 있는 원자는 광자를 자연적으로 방출하지만 +x 또는 -x를 따라 무작위로 방출한다. 탄력은 원자로 되돌아간다. 광자가 +x를 따라 방출된 경우 순변화는 없지만 -x를 따라 방출된 경우 원자는 -x 또는 +x에서 더 느리게 움직이고 있다.

흡수 및 방출 과정의 순 결과는 원자의 초기 속도가 단일 광자를 산란할 때의 반동 속도보다 크다는 조건에서 원자의 속도를 감소시킨 것이다. 흡수 및 방출이 여러 번 반복되면 평균 속도, 따라서 원자의 운동 에너지가 감소한다. 원자 앙상블의 온도는 무작위 내부 운동 에너지의 척도이기 때문에, 이것은 원자를 냉각시키는 것과 같다.

도플러 냉각 한계는 도플러 냉각으로 달성할 수 있는 최소 온도다.

상세설명

특정 원자 근처 어디든 오는 광자의 대부분은 그 원자의 영향을 거의 완전히[4] 받지 않는다. 원자는 대부분의 광자 주파수(색자)에 거의 완전히 투명하다.

몇 개의 광자는 매우 좁은 주파수 대역(흰 빛과 같은 혼합물보다는 하나의 색)에서 원자와의 "재결합"을 하게 된다. 그러한 광자 중 하나가 원자 가까이에 오면, 원자는 전형적으로 짧은 시간 동안 그 광자(흡수 스펙트럼)를 흡수하고, 그 다음, 동일한 광자(배출 스펙트럼)를 어떤 무작위적이고 예측할 수 없는 방향으로 방출한다.(원자와 광자 사이의 다른 종류의 상호작용은 존재하지만, 이 글과 관련이 없다.)

레이저가 물질의 열 에너지를 증가시킨다는 일반적인 생각은 개별 원자를 검사할 때 그렇지 않다. 주어진 원자가 사실상 움직이지 않고('냉정한' 원자) 그 원자에 초점을 맞춘 레이저의 주파수를 제어할 수 있다면, 대부분의 주파수는 원자에 영향을 주지 않는다. 즉, 그러한 주파수에서는 보이지 않는다. 그 원자에 어떤 영향을 미치는 전자파 주파수의 점들은 단지 몇 개 있을 뿐이다. 그러한 주파수에서, 원자는 흥분된 전자 상태로 전환하면서 레이저로부터 광자를 흡수할 수 있고, 그 광자의 추진력을 얻을 수 있다. 이제 원자는 광자의 운동량을 가졌기 때문에, 원자는 광자가 이동하던 방향으로 표류하기 시작해야 한다. 잠시 후 원자는 낮은 전자 상태로 이완되면서 자연적으로 임의의 방향으로 광자를 방출할 것이다. 만약 저 광자가 원래 광자의 방향으로 방출된다면, 원자는 광자에 대한 추진력을 포기하고 다시 움직이지 않게 될 것이다. 만약 광자가 반대 방향으로 방출된다면, 원자는 그 반대 방향으로 탄력을 제공해야 할 것이며, 이는 원자가 원래의 속도를 두 배로 하여 원래의 광자의 방향으로 훨씬 더 많은 탄력을 얻을 것이라는 것을 의미한다. 그러나 보통 광자는 원자에게 최소한 어느 정도 옆쪽으로 추력을 주면서 다른 방향으로 속도를 낸다.

주파수를 바꾸는 또 다른 방법은 레이저의 위치를 바꾸는 것이다. 예를 들어, 이 원자의 "리소넌트" 주파수(레이저가 직접 원자의 상태에 영향을 미치지 않는 주파수) 중 약간 아래에 주파수를 가진 단색(단색) 레이저를 사용하는 것이다. 만약 레이저가 관측된 원자를 향해 움직이도록 위치시킨다면 도플러 효과는 주파수를 높일 것이다. 특정 속도에서 해당 원자가 광자를 흡수하기 시작하려면 주파수가 정확할 것이다.

레이저 냉각 장치에서도 매우 유사한 일이 일어나는데, 그러한 장치들은 원자의 따뜻한 구름이 가변속도로 수많은 방향으로 움직이는 것을 제외하고는 말이다. 공명 주파수보다 훨씬 낮은 레이저 주파수로 시작하여, 한 레이저의 광자는 대부분의 원자를 통과한다. 그러나 특정 레이저를 향해 빠르게 움직이는 원자들은 그 레이저 광자를 잡아서 그 원자들이 다시 투명해질 때까지 속도를 줄인다. (레이저로부터 빠르게 멀어지는 아톰은 레이저 광자에 투명하지만, 레이저의 바로 맞은편에 있는 레이저를 향해 빠르게 이동하고 있다.) 흡수를 유도하기 위한 특정 속도의 활용은 뫼스바우어 분광학에서도 볼 수 있다.

원자 속도 그래프(우측으로 빠르게 이동하는 원자들은 우측으로 멀리 떨어져 있는 정지된 점들과 대응하며, 좌측으로 빠르게 이동하는 원자들은 좌측 레이저로부터 광자를 흡수하기 시작하는 속도에 해당하는 왼쪽 가장자리에 좁은 띠가 있다. 저 띠의 원자만이 왼쪽 레이저와 상호작용하는 것이다. 왼쪽 레이저에서 나온 광자가 그 원자들 중 하나에 슬램으로 들어가면, 그것은 갑자기 그 광자의 운동량에 해당하는 양을 늦춘다(점들은 오른쪽으로 일정하게 "퀀텀" 거리를 좀 더 다시 그리게 될 것이다). 만약 원자가 광자를 오른쪽으로 직접 방출한다면, 그 점은 왼쪽으로 같은 거리를 다시 그려서 좁은 상호 작용의 띠에 다시 놓이게 된다. 그러나 보통 원자는 광자를 어떤 다른 임의의 방향으로 방출하고, 점은 반대 방향으로 양자 거리를 다시 그린다.

그러한 기구는 점 구름을 완전히 둘러싸고 있는 많은 경계선에 해당하는 많은 레이저로 구성될 것이다.

레이저 주파수가 증가하면 경계가 수축하여 해당 그래프의 모든 점을 "콜드"의 정의인 0 속도로 밀어 넣는다.

한계

최소 온도

도플러 온도는 도플러 냉각으로 달성할 수 있는 최소 온도다.

광자가 광원에 역추진하는 원자에 의해 흡수될 때, 광자의 속도는 운동량 보존에 의해 감소한다. 흡수된 광자가 흥분한 원자에 의해 자연적으로 방출될 때, 원자는 임의의 방향으로 모멘텀 킥을 받는다. 자발적 방출은 등방성이므로 이러한 모멘텀은 평균 속도에서 0으로 차게 된다. 반면 평균 제곱 속도 v 는 무작위 공정에서 0이 아니므로 원자에 열이 공급된다.[5] 평형 상태에서는 냉난방 속도가 같아 원자가 냉각될 수 있는 양에 제한이 있다. 도플러 냉각에 사용되는 전환은 넓은 자연 선폭 초당 라디안으로 측정됨)을 가지므로 냉각 후 원자의 온도에 대한 하한을 다음과 같이[6] 설정한다.

여기서 는 볼츠만의 상수, 은(는) 플랑크의 상수 감소다. 이것은 보통 광자의 자발적 방출에서 얻은 운동량과 관련된 온도인 반동 온도보다 훨씬 높다.

도플러 한계는 측정 가능한 헬륨 가스로 검증되었다.[7]

서브 도플러 냉각

주요 기사: 서브 도플러 냉각

도플러 한계에 훨씬 못 미치는 온도는 시지푸스 냉각과 증발 냉각 등 다양한 레이저 냉각 방법으로 달성되었다. 도플러 냉각 이론은 단순한 2단계 구조를 가진 원자를 가정하는 반면 레이저 냉각된 대부분의 원자 종은 복잡한 초미세 구조를 가지고 있다. 다중 접지 상태로 인한 시지푸스 냉각과 같은 메커니즘은 도플러 한계치보다 낮은 온도를 초래한다.

최대농도

광자가 열 형태로 기체로 흡수되는 것을 방지하기 위해 농도는 최소여야 한다. 이 흡수는 두 개의 원자가 서로 충돌할 때 발생하며, 그 중 하나는 흥분된 전자를 가지고 있다. 그러면 충돌 원자에 추가적인 운동 에너지로 해방된 그것의 여분의 에너지로 흥분된 전자가 다시 지상으로 떨어질 가능성이 있다. 그것은 원자를 가열한다. 이것은 냉각과정에 역행하기 때문에 이 방법을 사용하여 냉각될 수 있는 가스의 최대 농도를 제한한다.

원자구조

300nm보다 훨씬 짧은 파장에 필요한 레이저 전력량을 발생시키는 것은 극히 어렵기 때문에 특정 원자와 이온만이 레이저 냉각에 적합한 광전환을 가지고 있다. 나아가 원자가 가지고 있는 초미세 구조가 많을수록 상부에서 광자를 방출하고 원상태로 돌아가지 않는 방법이 많아져 이를 어두운 상태로 만들어 냉각 과정에서 제거한다. 다른 레이저를 이용해 그러한 원자들을 광학적으로 흥분상태로 다시 펌프질하고 다시 시도할 수 있지만, 초미세 구조가 복잡할수록 (나선 대역, 주파수 잠금) 레이저가 더 많이 필요하다. 주파수 잠금 레이저가 복잡하고 비싸기 때문에, 두 개 이상의 리펌프 레이저를 추가로 필요로 하는 원자는 거의 냉각되지 않는다; 예를 들어 일반적인 루비듐 자석 광학 트랩은 하나의 리펌프 레이저를 필요로 한다. 이것은 분자가 일반적으로 레이저로 냉각하기 어려운 이유이기도 하다: 초미세 구조 외에도, 분자는 회전식 커플링을 가지고 있기 때문에 흥분된 회전 또는 진동 상태로 부패할 수 있다. 그러나 분자의 레이저 냉각은 SrF 분자에 대해 작용하도록 먼저 입증되었고,[8] 그 후 CaF와[9] YO와[11] 같은 다른 디아토믹스에도 작용한다.

구성

세 가지 데카르트 치수의 레이저 빔의 역추적 세트를 사용해 원자의 자유도를 세 가지 운동으로 냉각시킬 수 있다. 일반적인 레이저 냉각 구성에는 광 당밀, 자기 광학 트랩, 지만 속도가 느리다.

이온 트랩에 갇힌 원자 이온은 그 빔이 세 개의 자유도를 따라 구성 요소를 가지고 있는 한 하나의 레이저 빔으로 냉각될 수 있다. 이는 중성 원자를 가두는 데 필요한 6개의 빔과는 대조적이다. 원래 레이저 냉각 실험은 이온 트랩의 이온에 대해 수행되었다. (이론적으로 중립 원자는 깊은 함정에 갇힐 수 있다면 하나의 빔으로 냉각될 수 있지만, 실제로는 중립 트랩은 이온 트랩보다 훨씬 얕고 하나의 반동 이벤트는 중립 원자를 덫에서 쫓아내기에 충분할 수 있다.)

적용들

도플러 냉각의 한 가지 용도는 광학 당밀 기술이다. 이 과정 자체는 자기 광학 트랩의 일부를 형성하지만 독립적으로 사용할 수 있다.

도플러 냉각은 또한 분광학 및 계량학에도 사용되는데 냉각은 분광학적 특징을 좁힐 수 있다. 예를 들어, 모든 최고의 원자 시계 기술은 어느 시점에서 도플러 냉각과 관련이 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ Wineland, D. J.; Dehmelt, H. (1975). "Proposed 1014
     Δν < ν Laser Fluorescence Spectroscopy on Tl+
     Mono-Ion Oscillator III"     (PDF). Bulletin of the American Physical Society. 20: 637.
  2. ^ Hänsch, T. W.; Shawlow, A. L. (1975). "Cooling of Gases by Laser Radiation". Optics Communications. 13 (1): 68. Bibcode:1975OptCo..13...68H. doi:10.1016/0030-4018(75)90159-5.
  3. ^ Wineland, D. J.; Drullinger, R. E.; Walls, F. L. (1978). "Radiation-Pressure Cooling of Bound Resonant Absorbers". Physical Review Letters. 40 (25): 1639. Bibcode:1978PhRvL..40.1639W. doi:10.1103/PhysRevLett.40.1639.
  4. ^ Rayleigh와 Raman 산란과 같은 과정이 있는데, 원자와 분자가 비보존 광자를 산란시킨다. 예를 들어, 이러한 유형의 산란은 공진 흡수 및 방출(즉, 형광)에 비해 일반적으로 매우 약하다.
  5. ^ Lett, P. D.; Phillips, W. D.; Rolston, S. L.; Tanner, C. E.; Watts, R. N.; Westbrook, C. I. (1989). "Optical molasses". Journal of the Optical Society of America B. 6 (11): 2084–2107. Bibcode:1989JOSAB...6.2084L. doi:10.1364/JOSAB.6.002084.
  6. ^ Letokhov, V. S.; Minogin, V. G.; Pavlik, B. D. (1977). "Cooling and capture of atoms and molecules by a resonant light field". Soviet Physics JETP. 45: 698. Bibcode:1977JETP...45..698L.
  7. ^ Chang, R.; Hoendervanger, A. L.; Bouton, Q.; Fang, Y.; Klafka, T.; Audo, K.; Aspect, A.; Westbrook, C. I.; Clément, D. (2014). "Three-dimensional laser cooling at the Doppler limit". Physical Review A. 90 (6): 063407. arXiv:1409.2519. Bibcode:2014PhRvA..90f3407C. doi:10.1103/PhysRevA.90.063407. S2CID 55013080.
  8. ^ Shuman, E. S.; Barry, J. F.; DeMille, D. (2010). "Laser cooling of a diatomic molecule". Nature. 467 (7317): 820–823. arXiv:1103.6004. Bibcode:2010Natur.467..820S. doi:10.1038/nature09443. PMID 20852614. S2CID 4430586.
  9. ^ "Laser Cooling CaF". doylegroup.harvard.edu/. Doyle Group, Harvard University. Retrieved 9 November 2015.
  10. ^ Zhelyazkova, V.; Cournol, A.; Wall, T. E.; Matsushima, A.; Hudson, J. J.; Hinds, E. A.; Tarbutt, M. R.; Sauer, B. E. (2014). "Laser cooling and slowing of CaF molecules". Physical Review A. 89 (5): 053416. arXiv:1308.0421. Bibcode:2014PhRvA..89e3416Z. doi:10.1103/PhysRevA.89.053416. S2CID 119285667.
  11. ^ Hummon, M. T.; Yeo, M.; Stuhl, B. K.; Collopy, A. L.; Xia, Y.; Ye, J. (2013). "2D Magneto-Optical Trapping of Diatomic Molecules". Physical Review Letters. 110 (14): 143001. arXiv:1209.4069. Bibcode:2013PhRvL.110n3001H. doi:10.1103/PhysRevLett.110.143001. PMID 25166984. S2CID 13718902.

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