Resfriamento a laser - Laser cooling

O resfriamento a laser inclui várias técnicas nas quais as amostras atômicas e moleculares são resfriadas até quase o zero absoluto . As técnicas de resfriamento a laser baseiam-se no fato de que, quando um objeto (geralmente um átomo) absorve e reemite um fóton (uma partícula de luz), seu momento muda. Para um conjunto de partículas, sua temperatura termodinâmica é proporcional à variação em sua velocidade. Ou seja, velocidades mais homogêneas entre as partículas correspondem a uma temperatura mais baixa. As técnicas de resfriamento a laser combinam a espectroscopia atômica com o efeito mecânico da luz mencionado anteriormente para comprimir a distribuição da velocidade de um conjunto de partículas, resfriando assim as partículas.

Princípio simplificado de resfriamento a laser Doppler:
1 Um átomo estacionário não vê o laser desviado para o vermelho nem para o azul e não absorve o fóton.
2 Um átomo se afastando do laser o vê desviado para o vermelho e não absorve o fóton.
3,1 Um átomo se movendo em direção ao laser o vê alterado para o azul e absorve o fóton, desacelerando o átomo.
3,2 O fóton excita o átomo, movendo um elétron para um estado quântico superior.
3,3 O átomo reemite um fóton. Como sua direção é aleatória, não há mudança líquida no momento ao longo de muitos ciclos de absorção-emissão.

O primeiro exemplo de resfriamento a laser, e também o método mais comum (tanto que ainda é conhecido simplesmente como "resfriamento a laser"), é o resfriamento Doppler . Outros métodos de resfriamento a laser incluem:

História

Primeiras tentativas

Com o advento das técnicas de resfriamento a laser, a teoria do eletromagnetismo de Maxwell já havia levado à quantificação da radiação eletromagnética exercendo uma força ( pressão de radiação ), porém não foi até a virada do século XX quando estudos de Lebedev (1901), Nichols (1901) e Hull (1903) demonstraram experimentalmente essa força. Após esse período, em 1933, Frisch exemplificou a pressão exercida pela luz sobre os átomos. A partir do início dos anos 1970, os lasers foram então utilizados para explorar ainda mais a manipulação do átomo . A introdução de lasers em experimentos de manipulação atômica atuou como o advento das propostas de resfriamento a laser em meados dos anos 1970. O resfriamento a laser foi introduzido separadamente em 1975 por dois grupos de pesquisa diferentes: Hänsch e Schawlow , e Wineland e Dehmelt . Ambos descrito um processo de reduzir a velocidade à base de calor de velocidade em átomos por "forças radiativas." No artigo de Hänsch e Schawlow, o efeito da pressão da radiação em qualquer objeto que reflita a luz é descrito. Esse conceito foi então conectado ao resfriamento de átomos em um gás. Essas primeiras propostas de resfriamento a laser baseavam-se apenas na "força de espalhamento", o nome da pressão de radiação. Em propostas posteriores, o aprisionamento a laser , uma variante do resfriamento que requer tanto espalhamento quanto uma força dipolo , seria introduzido.

No final dos anos 70, Ashkin descreveu como as forças de radiação podem ser usadas para capturar átomos opticamente e simultaneamente resfriá-los. Ele enfatizou como esse processo poderia permitir longas medições espectroscópicas sem que os átomos escapassem da armadilha e propôs a sobreposição de armadilhas ópticas para estudar as interações entre diferentes átomos. Seguindo de perto a carta de Ashkin em 1978, dois grupos de pesquisa: Wineland, Drullinger and Walls e Neuhauser, Hohenstatt, Toscheck e Dehmelt refinaram ainda mais esse trabalho. Especificamente, Wineland, Drullinger e Walls estavam preocupados com o aprimoramento da espectroscopia. O grupo escreveu sobre a demonstração experimental do resfriamento de átomos por meio de um processo que usa pressão de radiação. Eles citam a precedência do uso de pressão de radiação em armadilhas ópticas, mas criticam a ineficácia dos modelos anteriores devido à presença do efeito Doppler . Em um esforço para diminuir o efeito, eles aplicaram uma abordagem alternativa para resfriar íons de magnésio abaixo da temperatura ambiente precedente. Usando a armadilha eletromagnética para conter os íons de magnésio, eles os bombardearam com um laser quase fora de fase em relação à frequência de ressonância dos átomos. As pesquisas dos dois grupos serviram para ilustrar as propriedades mecânicas da luz. Nessa época, as técnicas de resfriamento a laser permitiram que as temperaturas caíssem para cerca de 40 Kelvin .

Avanços modernos

William Phillips foi influenciado pelo artigo de Wineland e tentou imitá-lo, usando átomos neutros em vez de íons. Em 1982, ele publicou o primeiro artigo descrevendo o resfriamento de átomos neutros. O processo que ele usou agora é conhecido como Zeeman mais lento e se tornou uma das técnicas padrão para diminuir a velocidade de um feixe atômico. Agora, temperaturas em torno de 240 microkelvins foram atingidas. Esse limite foi o mais baixo que os pesquisadores pensaram ser possível. Quando as temperaturas atingiram 43 microkelvins em um experimento de Steven Chu , a nova baixa foi explicada pela adição de mais estados atômicos em combinação com a polarização do laser. As concepções anteriores de resfriamento a laser foram consideradas muito simplistas. Os grandes avanços nos anos 70 e 80 no uso da luz laser para resfriamento levaram a várias melhorias na tecnologia preexistente e novas descobertas com temperaturas um pouco acima do zero absoluto . Os processos de resfriamento foram utilizados para tornar os relógios atômicos mais precisos e para melhorar as medições espectroscópicas, e levaram à observação de um novo estado da matéria em temperaturas ultracold. O novo estado da matéria, o condensado de Bose-Einstein , foi observado em 1995 por Eric Cornell , Carl Wieman e Wolfgang Ketterle .

Resfriamento Doppler

Os lasers necessários para o aprisionamento magneto-óptico de rubídio-85: (a) e (b) mostram a absorção (vermelho desafinado para a linha pontilhada) e o ciclo de emissão espontânea, (c) e (d) são transições proibidas, (e ) mostra que se um laser de resfriamento excita um átomo para o estado F = 3, ele pode decair para o hiperfino inferior "escuro", estado F = 2, o que interromperia o processo de resfriamento, se não fosse pelo laser repumper (f).

O resfriamento Doppler, que geralmente é acompanhado por uma força de captura magnética para formar uma armadilha magneto-óptica , é de longe o método mais comum de resfriamento a laser. É usado para resfriar gases de baixa densidade até o limite de resfriamento Doppler , que para o rubídio -85 é cerca de 150 microkelvins .

No resfriamento Doppler, inicialmente, a frequência da luz é sintonizada ligeiramente abaixo de uma transição eletrônica no átomo . Como a luz é desafinada para o "vermelho" (ou seja, na frequência mais baixa) da transição, os átomos irão absorver mais fótons se se moverem em direção à fonte de luz, devido ao efeito Doppler . Assim, se alguém aplicar luz de duas direções opostas, os átomos sempre espalharão mais fótons do feixe de laser apontando para a direção oposta de seu movimento. Em cada evento de espalhamento, o átomo perde um momento igual ao momento do fóton. Se o átomo, que agora está no estado excitado, emite um fóton espontaneamente, ele será chutado pela mesma quantidade de momento, mas em uma direção aleatória. Uma vez que a mudança de momentum inicial é uma perda pura (opondo-se à direção do movimento), enquanto a mudança subsequente é aleatória, o resultado provável do processo de absorção e emissão é reduzir o momentum do átomo e, portanto, sua velocidade - desde que seu inicial a velocidade era maior do que a velocidade de recuo de espalhar um único fóton. Se a absorção e a emissão forem repetidas muitas vezes, a velocidade média e, portanto, a energia cinética do átomo, será reduzida. Como a temperatura de um grupo de átomos é uma medida da energia cinética interna aleatória média, isso é equivalente ao resfriamento dos átomos.

Resfriamento anti-Stokes

A ideia do resfriamento anti-Stokes foi apresentada pela primeira vez por Pringsheim em 1929. Enquanto o resfriamento Doppler reduz a temperatura translacional de uma amostra, o resfriamento anti-Stokes diminui a excitação vibracional ou de fônon de um meio. Isso é feito bombeando uma substância com um feixe de laser de um estado de energia inferior para um superior, com emissão subsequente para um estado de energia ainda inferior. A principal condição para um resfriamento eficiente é que a taxa de emissão de anti-Stokes para o estado final seja significativamente maior do que para outros estados, bem como a taxa de relaxamento não radiativo. Como a energia vibracional ou de fônon pode ser muitas ordens de magnitude maior do que a energia associada ao alargamento Doppler, a eficiência da remoção de calor por fóton laser gasto para o resfriamento anti-Stokes pode ser correspondentemente maior do que para o resfriamento Doppler. O efeito de resfriamento anti-Stokes foi demonstrado pela primeira vez por Djeu e Whitney em gás CO 2 . O primeiro resfriamento do anti-Stokes em um sólido foi demonstrado por Epstein et al. em uma amostra de vidro de fluoreto dopado com itérbio.

Usos

O resfriamento a laser é usado principalmente para criar átomos ultracold para experimentos em física quântica . Esses experimentos são realizados perto do zero absoluto, onde efeitos quânticos únicos, como a condensação de Bose-Einstein, podem ser observados. O resfriamento a laser tem sido usado principalmente em átomos, mas progressos recentes foram feitos em direção a sistemas mais complexos de resfriamento a laser. Em 2010, uma equipe de Yale resfriou com sucesso uma molécula diatômica a laser . Em 2007, uma equipe do MIT resfriou a laser um objeto em macroescala (1 grama) até 0,8 K. Em 2011, uma equipe do Instituto de Tecnologia da Califórnia e da Universidade de Viena foi a primeira a resfriar a laser a (10 μm x 1 μm) objeto mecânico ao seu estado fundamental quântico.

As aplicações práticas potenciais para o resfriamento anti-Stokes de sólidos incluem lasers de estado sólido com radiação balanceada e refrigeração óptica sem vibração.

Veja também

Referências

Fontes adicionais