레이저 냉각

Laser cooling
도플러 레이저 냉각의 단순화된 원리:
1 정지한 원자는 레이저가 적색이나 청색으로 이동하지 않고 광자를 흡수하지 않습니다.
2 레이저에서 멀어지는 원자는 그것이 적색편이된 것을 보고 광자를 흡수하지 않습니다.
31 레이저 쪽으로 이동하는 원자가 파란색으로 이동하는 것을 보고 광자를 흡수하여 원자의 속도를 늦춥니다.
32 광자는 원자를 흥분시켜 전자를 더 높은 양자 상태로 이동시킵니다.
33 원자는 광자를 임의의 방향으로 방출합니다. 원자 운동량 벡터들은 같은 방향에 있다면 원래의 것에 추가될 것이지만, 그렇지 않기 때문에 원자가 에너지를 잃어서 냉각됩니다.

레이저 냉각에는 원자, 분자 및 작은 기계 시스템이 레이저 빛으로 냉각되는 여러 기술이 포함됩니다. 레이저의 지향 에너지는 종종 가열 재료, 예를 들어 레이저 절단과 관련이 있으므로, 레이저 냉각으로 인해 샘플 온도가 종종 절대 0에 가까워지는 것은 반직관적일 수 있습니다. 레이저 냉각은 원자와 같은 물체가 광자(빛의 입자)를 흡수하고 다시 방출할 때 운동량의 변화에 의존합니다. 예를 들어 레이저 빛이 따뜻한 원자 구름을 사방에서 비추고 레이저의 주파수가 원자 공명 아래로 조율되면 원자는 냉각됩니다. 이 일반적인 유형의 레이저 냉각은 개별 원자가 원자의 운동과 반대 방향에서 레이저 빛을 우선적으로 흡수하는 도플러 효과에 의존합니다. 흡수된 빛은 원자에 의해 임의의 방향으로 재방출됩니다. 빛의 방출과 흡수를 반복한 후 원자 구름에 대한 순효과는 원자 구름이 더 천천히 팽창한다는 것입니다. 팽창 속도가 느려지면 원자의 속도 분포가 감소하는 것을 반영하기 때문에 온도가 낮아져서 원자가 냉각된 것입니다. 입자의 앙상블의 경우 열역학적 온도는 속도의 분산에 비례합니다. 입자들 사이의 속도가 더 균일하면 더 낮은 온도에 해당합니다. 레이저 냉각 기술은 원자 분광학과 앞서 언급한 빛의 기계적 효과를 결합하여 입자 앙상블의 속도 분포를 압축하여 입자를 냉각합니다.

1997년 노벨 물리학상은 클로드 코헨-타누지, 스티븐 추, 윌리엄 다니엘 필립스가 "레이저 빛으로 원자를 식히고 가두는 방법"을 개발한 공로로 수상했습니다.[1]

역사

복사압

복사압은 전자기 방사선이 물질에 작용하는 힘입니다. 1873년 맥스웰은 전자기학에 관한 논문을 발표하여 복사압을 예측했습니다.[2] 그 힘은 레베데프에 의해 처음으로 실험적으로 증명되었고 1900년 파리에서 열린 학회에서 보고되었고,[3] 나중에 1901년에 더 자세히 발표되었습니다.[4] 레베데프의 측정에 이어 니콜스와 헐도 1901년에 복사압의 힘을 입증했고,[5] 1903년에 정교한 측정이 보고되었습니다.[6]

1933년, 오토 프리쉬는 나트륨 원자의 원자 빔을 빛으로 굴절시켰습니다. [8] 이것은 공진 흡수기에 작용하는 복사 압력을 최초로 실현한 것입니다.

레이저 냉각 제안

원자 조작 실험에 레이저가 도입된 것은 1970년대 중반 레이저 냉각 제안의 전조였습니다. 레이저 냉각은 1975년에 두 개의 다른 연구 그룹에 의해 별도로 제안되었습니다. 헨쉬와 쇼울로우, 그리고 와인랜드와 데멜트.[10] 두 제안 모두 아래의 레이저 광과 원자 공명 주파수가 반복적으로 흡수되고 원자의 속도 분포가 감소하는 도플러 냉각으로 알려진 가장 간단한 레이저 냉각 과정의 개요를 설명했습니다.[11]

1977년 Ashkin은 어떻게 도플러 냉각을 사용하여 원자를 광학 트랩에 로드하는 데 필요한 감쇠를 제공할 수 있는지 설명하는 논문을 제출했습니다.[12] 이 연구에서 그는 이 과정이 어떻게 원자가 트랩을 빠져나가지 않고 긴 분광 측정을 허용할 수 있는지 강조하고 서로 다른 원자 간의 상호 작용을 연구하기 위해 광학 트랩의 중첩을 제안했습니다.

초기실현

레이저 냉각 제안에 따라 1978년 와인랜드, NIST의 Drullinger and Walls, Washington 대학의 Neuhauser, Hohenstatt, Toscheck, Dehmelt 두 연구 그룹이 레이저 냉각 원자에 성공했습니다. NIST 그룹은 분광학에 대한 도플러 확장의 영향을 줄이기를 원했습니다. 그들은 페닝 트랩에 있는 마그네슘 이온을 <40 켈빈까지 냉각시켰습니다. 워싱턴 그룹은 바륨 이온을 냉각시켰습니다. 두 그룹의 연구는 빛의 기계적 특성을 설명하는 데 도움이 되었습니다.[11] 이 무렵, 레이저 냉각 기술은 약 40 켈빈까지 온도를 낮출 수 있었습니다.

William Phillips는 레이저 냉각 이온에 대한 Wineland의 연구에 영향을 받아 중성 원자를 레이저 냉각하는 데에도 같은 원리를 적용했습니다. 1982년, 그는 중성 원자를 레이저로 냉각한 최초의 논문을 발표했습니다.[13] 사용된 공정은 현재 Zeeman slow 로 알려져 있으며 원자 빔을 감속시키는 표준 기술입니다.

현대의 진보

원자

레이저 냉각된 고유 원자/동위원소의 누적 수 대 연도.

전기 쌍극자 전이에 대한 도플러 냉각 한계는 일반적으로 수백 마이크로켈빈입니다. 1980년대에 이 한계는 달성 가능한 가장 낮은 온도로 여겨졌습니다. 나트륨 원자가 도플러 냉각 한계가 240마이크로켈빈일 때 43마이크로켈빈으로 냉각되었을 [14]때 새로운 최저점은 레이저 편광에 더 많은 원자 상태가 추가됨으로써 설명되는 놀라운 일이었습니다. 레이저 냉각에 대한 이전의 개념은 너무 단순했다고 결정되었습니다.[15] 70년대와 80년대의 주요 레이저 냉각 기술의 획기적인 발전은 기존 기술의 몇 가지 개선과 절대영도를 조금 넘는 새로운 발견으로 이어졌습니다. 냉각 과정은 원자 시계를 더 정확하게 만들고 분광학적 측정을 개선하는 데 활용되었으며, 극저온에서 새로운 물질 상태를 관찰하게 되었습니다.[16][15] 새로운 상태의 물질인 보스-아인슈타인 응축물은 1995년 에릭 코넬, 칼 와이먼, 볼프강 케터레에 의해 관찰되었습니다.[17]

레이저 냉각은 주로 극저온 원자를 만드는 데 사용되었습니다. 예를 들어, 양자 물리학의 실험은 보스-아인슈타인 응축과 같은 고유한 양자 효과를 관찰할 수 있는 절대 0에 가까운 성능을 발휘해야 합니다. 레이저 냉각은 또한 광학 시계 실험의 주요 도구입니다.

분자

2010년에 예일대학의 한 팀은 이원자 분자를 레이저로 냉각하는데 성공했습니다.[18] 2016년 MPQ의 한 그룹은 광전기 Sisyphus 냉각을 통해 포름알데히드를 420μK로 냉각하는 데 성공했습니다.[19] 2022년 하버드의 한 그룹은 성공적으로 레이저 냉각을 하여 CaOH를 720(40)μK의 자기광학 트랩에 가두었습니다.[20]

기계 시스템

2007년, MIT 연구팀은 매크로 스케일(1g)의 물체를 0.8K로 레이저 냉각하는 데 성공했습니다.[21] 2011년, 캘리포니아 공과대학과 비엔나 대학의 연구팀은 최초로 양자 바닥 상태의 (10 μm x 1 μm) 기계적 물체를 레이저 냉각시켰습니다.[22]

방법들

레이저 냉각의 첫 번째 예이자 여전히 가장 일반적인 방법은 도플러 냉각입니다.

도플러 냉각

주 기사: 도플러 냉각
루비듐-85의 자기 optical 포획에 필요한 레이저: (a) & (b)는 흡수(점선으로 분리된 빨간색)와 자발적인 방출 주기, (c) & (d)는 금지된 전이이며, (e)는 냉각 레이저가 원자를 F=3 상태로 여기시키면 "어두운" 하위 초미세, F=2 상태로 붕괴되는 것이 허용됨을 보여줍니다. 리펌퍼 레이저(f)가 없었다면 냉각 과정이 중단될 수 있습니다.

일반적으로 자기 포획력을 동반하여 광자기 트랩을 제공하는 도플러 냉각은 레이저 냉각의 가장 일반적인 방법입니다. 루비듐-85의 경우 약 150 마이크로켈빈인 도플러 냉각 한계까지 저밀도 가스를 냉각하는 데 사용됩니다.

도플러 냉각에서 처음에는 빛의 주파수가 원자의 전자 전이보다 약간 아래로 조정됩니다. 빛이 전이의 "빨간색"(즉, 더 낮은 주파수에서)으로 분산되기 때문에 원자가 광원 쪽으로 이동하면 도플러 효과로 인해 더 많은 광자를 흡수할 것입니다. 따라서 두 개의 반대 방향에서 빛을 가하면 원자는 항상 운동 방향의 반대 방향을 가리키는 레이저 빔에서 더 많은 광자를 산란시킵니다. 각각의 산란 사건에서 원자는 광자의 운동량과 같은 운동량을 잃게 됩니다. 만약 지금 들뜬 상태에 있는 원자가 자발적으로 광자를 방출한다면, 같은 양의 운동량에 의해, 그러나 임의의 방향으로 차일 것입니다. 초기 운동량 변화는 순수한 손실(운동 방향 반대)이기 때문에, 이후의 변화는 무작위이지만, 흡수 및 방출 과정의 가능한 결과는 원자의 운동량을 줄이는 것이며, 따라서 초기 속도가 단일 광자 산란으로 인한 반동 속도보다 더 클 경우 원자의 속도를 줄이는 것입니다. 흡수와 방출이 여러 번 반복되면 원자의 평균 속도, 따라서 운동 에너지가 감소합니다. 원자 집단의 온도는 평균 무작위 내부 운동 에너지의 척도이므로, 이것은 원자를 냉각시키는 것과 같습니다.

스토크스 방지 냉각

스톡스 방지 냉각에 대한 아이디어는 1929년에 Pringsheim에 의해 처음으로 시작되었습니다.[23] 도플러 냉각은 시료의 병진 온도를 낮추는 반면, 항 스톡스 냉각은 매질의 진동 또는 포논 여기를 감소시킵니다. 이것은 레이저 빔이 있는 물질을 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 펌핑하고 이후에 더 낮은 에너지 상태로 방출함으로써 달성됩니다. 효율적인 냉각을 위한 주요 조건은 최종 상태에 대한 반스톡 방출 속도가 비방사선 이완 속도뿐만 아니라 다른 상태에 대한 방출 속도보다 상당히 크다는 것입니다. 진동 에너지 또는 포논 에너지는 도플러 확장과 관련된 에너지보다 훨씬 더 클 수 있기 때문에, 반-스토크스 냉각에 사용되는 레이저 광자당 열 제거 효율은 도플러 냉각에 사용되는 것보다 상응하게 더 클 수 있습니다. Djeu와 Whitney에 의해2 CO 가스에서 항 스톡스 냉각 효과가 처음으로 입증되었습니다.[24] 고체에서 최초의 반-스토크스 냉각은 1980년에 Epstein 등에 의해 이터븀 도핑된 플루오라이드 유리 샘플에서 입증되었습니다.[25]

고체의 방재 냉각을 위한 잠재적인 실용적인 응용 분야로는 방사선 균형 고체 상태 레이저 및 무진동 광학 냉장이 있습니다.[26][27]

기타방법

레이저 냉각의 다른 방법은 다음과 같습니다.

참고 항목

참고문헌

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추가 출처