Melaza óptica

La técnica láser enfría los átomos a temperaturas inferiores a las de una trampa magnetoóptica

Esquema de melaza óptica

La melaza óptica es una técnica de enfriamiento por láser que puede enfriar átomos neutros a temperaturas tan bajas como unos pocos microkelvin, dependiendo de la especie atómica. Una melaza óptica consta de 3 pares de rayos láser polarizados ortogonalmente que se propagan en sentido contrario y se cruzan en la región donde están presentes los átomos. La principal diferencia entre una melaza óptica (OM) y una trampa magnetoóptica (MOT) es la ausencia de campo magnético en la primera. A diferencia de una MOT, una OM solo proporciona enfriamiento y no atrapamiento.

Historia

Cuando se propuso el enfriamiento por láser en 1975, se predijo un límite teórico para la temperatura más baja posible. ^[1] Conocido como el límite Doppler , , esto fue dado por la temperatura más baja posible alcanzable considerando el enfriamiento de átomos de dos niveles por enfriamiento Doppler y el calentamiento de átomos debido a la difusión del momento de la dispersión de fotones láser. Aquí, , es el ancho de línea natural de la transición atómica, , es la constante de Planck reducida y, , es la constante de Boltzmann . ${\displaystyle T_{d}=\hbar \Gamma /{2k_{b}}}$ ${\displaystyle \Gamma }$ ${\displaystyle \hbar }$ ${\displaystyle k_{b}}$

La primera realización experimental de melaza óptica fue lograda en 1985 por Chu et al. en AT&T Bell Laboratories. ^[2] Los autores midieron el enfriamiento por láser de átomos de sodio neutros hasta el límite teórico de enfriamiento Doppler observando la fluorescencia de un haz atómico caliente.

Los experimentos en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología , Gaithersburg, encontraron que la temperatura de los átomos enfriados estaba muy por debajo del límite teórico. ^[3] En 1988, Lett et al. ^[3] dirigieron átomos de sodio a través de una melaza óptica y encontraron que las temperaturas eran tan bajas como ~40 μk; 6 veces más bajas que el límite de enfriamiento Doppler esperado de 240 μk. Otras propiedades inesperadas encontradas en otros experimentos ^[4] incluyeron una insensibilidad significativa inesperada a la alineación láser de los rayos contrapropagantes.

Estas observaciones inesperadas llevaron al desarrollo de modelos más sofisticados ^[5] de enfriamiento por láser que tenían en cuenta los subniveles Zeeman e hiperfino de la estructura atómica. La dinámica del bombeo óptico entre estos subniveles permite el enfriamiento de átomos por debajo del límite Doppler .

Teoría

La mejor explicación del fenómeno de la melaza óptica se basa en el principio de enfriamiento por gradiente de polarización . ^[6] Los haces de luz polarizada circularmente que se propagan en sentido contrario provocan una onda estacionaria, en la que la polarización de la luz es lineal pero la dirección gira a lo largo de la dirección de los haces a una velocidad muy rápida. Los átomos que se mueven en la polarización lineal que varía espacialmente tienen una mayor densidad de probabilidad de estar en un estado que es más susceptible a la absorción de luz del haz que llega de frente, en lugar del haz que viene detrás. Esto da como resultado una fuerza de amortiguación dependiente de la velocidad: ^[7] $${\displaystyle F=-\alpha v,}$$

donde La variable es la constante de Planck reducida, es la intensidad de saturación, es la desafinación del láser y es el ancho de línea de la transición de enfriamiento del átomo. Para el sodio, la transición de enfriamiento (ciclado) es la transición, impulsada por la luz láser a 589 nm. $${\displaystyle \alpha =4\hbar k^{2}{\frac {I}{I_{0}}}{\frac {2\delta \Gamma }{[1+(2\delta /\Gamma )^{2}]^{2}}}.}$$ ${\textstyle \hbar }$ ${\textstyle I_{0}}$ ${\textstyle \delta }$ ${\textstyle \Gamma }$ ${\textstyle ^{3}S_{1/2}(F=2)\leftrightarrow ~^{3}P_{3/2}(F=0)}$

La melaza óptica puede reducir la temperatura del átomo hasta el límite de retroceso, , se establece por la energía del fotón emitido en la desintegración del estado J' al estado J, donde el estado J es el momento angular del estado fundamental y el estado J' es el momento angular del estado excitado. Esta temperatura está dada por aunque prácticamente el límite es unas pocas veces este valor debido a la extrema sensibilidad a los campos magnéticos externos en este esquema de enfriamiento. Los átomos normalmente alcanzan temperaturas del orden de , en comparación con el límite Doppler . ${\textstyle T_{r}}$ $${\displaystyle k_{b}T_{r}={\frac {h^{2}}{M\lambda ^{2}}}}$$ ${\textstyle \mu K}$ ${\textstyle T_{D}\simeq 240\mu K}$

Relación con la trampa magneto-óptica

Una melaza óptica ralentiza los átomos, pero no proporciona ninguna fuerza de captura para confinarlos espacialmente. Una trampa magneto-óptica emplea una melaza óptica tridimensional junto con un campo magnético que varía espacialmente para frenar y confinar los átomos.

Véase también

• Enfriamiento Doppler
• Melaza gris
• Trampa magneto-óptica
• Refrigeración por láser
• Enfriamiento por gradiente de polarización
• Enfriamiento sub-Doppler

Referencias

1. Hänsch, TW; Schawlow, AL (1975). "Enfriamiento de gases por radiación láser". Optics Communications . 13 (1): 68–69. Bibcode :1975OptCo..13...68H. doi : 10.1016/0030-4018(75)90159-5 . ISSN  0030-4018.
2. Chu, Steven; Hollberg, L.; Bjorkholm, JE; Cable, Alex; Ashkin, A. (1 de julio de 1985). "Confinamiento viscoso tridimensional y enfriamiento de átomos por presión de radiación de resonancia". Physical Review Letters : 48–51. doi :10.1103/PhysRevLett.55.48.
3. Lett, Paul D.; Watts, Richard N.; Westbrook, Christoph I.; Phillips, William D.; Gould, Phillip L.; Metcalf, Harold J. (1988). "Observación de átomos enfriados por láser por debajo del límite Doppler". Physical Review Letters . 61 (2): 169–172. Bibcode :1988PhRvL..61..169L. CiteSeerX 10.1.1.208.9100 . doi :10.1103/PhysRevLett.61.169. ISSN  0031-9007. PMID  10039050. S2CID  8479501. 
4. Lett, Paul D.; Westbrook, Christoph I.; Watts, Richard N.; Rolston, SL; Gould, Phillip L.; Metcalf, Harold J.; Phillips, William D. (1989). "Átomos enfriados por láser por debajo del límite de enfriamiento Doppler". Patrones de frecuencia y metrología . Vol. 61. Springer, Berlín, Heidelberg. págs. 169–172. doi :10.1007/978-3-642-74501-0_45. ISBN 978-3-642-74503-4.
5. Cohen-Tannoudji, Claude ; Phillips, William Daniel (octubre de 1990). "Nuevos mecanismos para el enfriamiento láser". Physics Today . 43 (10): 33–40. doi :10.1063/1.881239.
6. Dalibard, J. ; Cohen-Tannoudji, C. (noviembre de 1989). "Enfriamiento láser por debajo del límite Doppler mediante gradientes de polarización: modelos teóricos simples". JOSA B . 6 (11): 2023–2045. Bibcode :1989JOSAB...6.2023D. doi :10.1364/JOSAB.6.002023. Presentamos dos mecanismos de enfriamiento que conducen a temperaturas muy por debajo del límite Doppler. Estos mecanismos se basan en gradientes de polarización láser y funcionan a baja potencia láser cuando el tiempo de bombeo óptico entre diferentes subniveles del estado fundamental se vuelve largo.
7. Foot, CJ (2005). Física atómica . Oxford; Nueva York: Oxford University Press. ISBN 9780198506959.