El enfriamiento Doppler es un mecanismo que se puede utilizar para atrapar y ralentizar el movimiento de los átomos para enfriar una sustancia. El término se utiliza a veces como sinónimo de enfriamiento por láser , aunque el enfriamiento por láser incluye otras técnicas.
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. [4] Una forma conceptualmente simple de enfriamiento Doppler se conoce como melaza óptica , ya que la fuerza óptica disipativa se asemeja al arrastre viscoso sobre un cuerpo que se mueve a través de melaza. Steven Chu , Claude Cohen-Tannoudji y William D. Phillips recibieron el Premio Nobel de Física de 1997 por su trabajo en el enfriamiento por láser y la captura de átomos. [5]
El enfriamiento Doppler implica luz con una 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 impulso igual al impulso del fotón. El átomo, que ahora está en estado excitado, emite un fotón de forma espontánea pero aleatoria a lo largo de + x o − x . El impulso regresa 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 en + 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 al dispersar un solo fotón. Si la absorción y la emisión se repiten muchas veces, la velocidad media y, por tanto, la energía cinética del átomo se reducirán. 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.
La gran mayoría de los fotones que se acercan a un átomo en particular casi [6] no se ven afectados por ese átomo. El átomo es casi completamente transparente a la mayoría de las frecuencias (colores) de los fotones.
Unos pocos 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 normalmente absorbe ese fotón ( espectro de absorción ) durante un breve período de tiempo y 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 se cumple cuando se examinan átomos individuales. Si un átomo determinado está prácticamente inmóvil (un átomo "frío") y se puede controlar la frecuencia de un láser enfocado sobre él, la mayoría de las frecuencias no afectan al átomo; es invisible a esas frecuencias. Sólo 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 captar 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 a medida que 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 quedar 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 adquirirá aún más impulso en la dirección del fotón original (para conservar el impulso), con el doble de su velocidad original. . Pero normalmente el fotón se aleja en otra dirección, dándole 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 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 colocara 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 comenzaran a absorber fotones.
Algo muy similar sucede en un aparato de enfriamiento 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 del láser muy por debajo de la frecuencia de resonancia, los fotones de cualquier láser pasan a través de la mayoría de los átomos. Sin embargo, los átomos que se mueven rápidamente hacia un láser en particular atrapan los fotones de ese láser, lo que ralentiza esos átomos hasta que se vuelven transparentes nuevamente. (Los átomos que se alejan rápidamente de ese láser son transparentes a los fotones de ese láser, pero se mueven rápidamente hacia el láser directamente opuesto). Esta utilización de una velocidad específica para inducir la absorción también se observa en la espectroscopia de Mössbauer .
En una gráfica de velocidades atómicas (los átomos que se mueven rápidamente hacia la derecha se corresponden con puntos estacionarios muy hacia la derecha, los átomos que se mueven rápidamente hacia la izquierda se corresponden con puntos estacionarios muy hacia la izquierda), hay una banda estrecha en el borde izquierdo que corresponde a la Velocidad a la que 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 se ralentiza una cantidad correspondiente al impulso de ese fotón (el punto se volvería a dibujar a una distancia "cuántica" fija más hacia la derecha). Si el átomo libera el fotón directamente hacia la derecha, entonces el punto se vuelve a dibujar esa misma distancia hacia la izquierda, colocándolo nuevamente en la estrecha banda de interacción. Pero normalmente el átomo libera el fotón en alguna otra dirección aleatoria, y el punto se vuelve a dibujar esa distancia cuántica en la dirección opuesta.
Un aparato de este tipo estaría construido con muchos láseres, correspondientes a muchas líneas límite que rodean completamente esa nube de puntos.
A medida que aumenta la frecuencia del láser, el límite se contrae, empujando todos los puntos de ese gráfico hacia la velocidad cero, la definición dada de "frío".
La temperatura Doppler es la temperatura mínima que se puede alcanzar con el 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, estos impulsos aumentan en promedio a cero para la velocidad media. Por otro lado, la velocidad media cuadrática, , no es cero en el proceso aleatorio y, por tanto, se suministra calor al átomo. [7] 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 (medidos en radianes por segundo ), esto establece el límite inferior de la temperatura de los átomos después del enfriamiento en [8]
donde es la constante de Boltzmann y es 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. [9]
Se han logrado temperaturas muy por debajo del límite Doppler con varios métodos de enfriamiento por láser, incluido el enfriamiento de Sísifo , el enfriamiento por evaporación y el enfriamiento de banda lateral resuelta . La teoría del enfriamiento Doppler supone 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 inferiores al límite Doppler.
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 para 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.
Sólo 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 tiene de emitir un fotón desde el estado superior y no volver a su estado original, poniéndolo en un estado oscuro y sacándolo 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 sea la estructura hiperfina, más láseres (de banda estrecha y frecuencia bloqueada) se necesitarán. Dado que los láseres de frecuencia bloqueada son complejos y costosos, los átomos que necesitan más de un láser de rebombeo adicional rara vez se enfrían; la trampa magnetoóptica de rubidio común , por ejemplo, requiere un láser de rebombeo. Esta es también la razón por la que las moléculas son generalmente difíciles de enfriar con láser: además de una estructura hiperfina, las moléculas también tienen acoplamientos rovibrónicos y, por lo tanto, también pueden descomponerse en estados excitados de rotación o vibración. Sin embargo, se ha demostrado el enfriamiento de moléculas con láser, primero con moléculas de SrF [10] y posteriormente con otras diatómicas como CaF [11] [12] y YO. [13]
Se pueden utilizar conjuntos de rayos láser de contrapropagación 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 del movimiento. Esto contrasta con los seis rayos necesarios para atrapar átomos neutros. Los experimentos originales de enfriamiento por láser se realizaron con iones en trampas de iones. (En teoría, los átomos neutros podrían enfriarse con un solo haz si pudieran quedar atrapados en una trampa profunda, pero en la práctica las trampas neutrales son mucho menos profundas que las trampas de iones y un solo evento de retroceso puede ser suficiente para expulsar a un átomo neutro del espacio. trampa.)
Un uso del enfriamiento Doppler es la técnica de la melaza óptica . Este proceso en sí forma parte de la trampa magnetoóptica, pero se puede utilizar de forma independiente.
El enfriamiento Doppler también se utiliza en espectroscopia y metrología, donde el enfriamiento permite características espectroscópicas más estrechas. Por ejemplo, todas las mejores tecnologías de relojes atómicos implican enfriamiento Doppler en algún momento.
