melaza óptica

Técnica láser que enfría 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 hasta unos pocos microkelvin, dependiendo de la especie atómica. Una melaza óptica consta de 3 pares de rayos láser polarizados circularmente que se propagan en sentido contrario y que se cruzan en la región donde están presentes los átomos. La principal diferencia entre la melaza óptica y una MOT es la ausencia de campo magnético en la primera. Por lo tanto, a diferencia de una ITV, una melaza óptica sólo proporciona refrigeración y no atrapa.

Historia

Cuando se propuso el enfriamiento por láser en 1975, se predijo un límite teórico para la temperatura más baja posible. ^[1] Conocido como límite Doppler , esto estaba dado por la temperatura más baja posible alcanzable considerando el enfriamiento de átomos de dos niveles mediante enfriamiento Doppler y el calentamiento de los átomos debido a la difusión del momento debido a 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 . ${\displaystyle T_{d}=\hbar \Gamma /{2k_{b}}}$ ${\displaystyle \Gamma }$ ${\displaystyle \hbar }$ ${\displaystyle k_{b}}$

Experimentos realizados en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Gaithersburg encontraron que la temperatura de los átomos enfriados estaba muy por debajo del límite teórico. ^[2] En 1988, Lett et al. ^[2] dirigieron átomos de sodio a través de una melaza óptica y encontraron que las temperaturas eran tan bajas como ~40 μk; 6 veces menor que el límite de enfriamiento Doppler esperado de 240 μk. Otras propiedades inesperadas encontradas en otros experimentos ^[3] incluyeron una insensibilidad significativa e inesperada a la alineación láser de los haces de contrapropagación.

Teoría

La mejor explicación del fenómeno de la melaza óptica se basa en el principio del enfriamiento del gradiente de polarización . ^[4] Los haces de luz polarizada circularmente que se propagan en sentido contrario causan una onda estacionaria, donde la polarización de la luz es lineal pero la dirección gira a lo largo de la dirección de los haces a un ritmo muy rápido. Los átomos que se mueven en una 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 viene de frente, en lugar del haz que viene desde atrás. Esto da como resultado una fuerza amortiguadora dependiente de la velocidad que es capaz de reducir la velocidad de una nube de átomos hasta cerca del límite de retroceso.

El límite de retroceso, está establecido 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 ${\textstyle T_{r}}$

$${\displaystyle k_{b}T_{r}={\frac {h^{2}}{M\lambda ^{2}}}}$$

${\textstyle \mu K}$ ${\textstyle T_{D}\simeq 240\mu K}$

Ver también

• melaza gris

Referencias

1. Hänsch, TW; Schawlow, AL (1975). "Enfriamiento de gases mediante radiación láser". Comunicaciones Ópticas . 13 (1): 68–69. Código Bib : 1975OptCo..13...68H. doi : 10.1016/0030-4018(75)90159-5 . ISSN  0030-4018.
2. 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". Cartas de revisión física . 61 (2): 169-172. Código bibliográfico : 1988PhRvL..61..169L. CiteSeerX 10.1.1.208.9100 . doi :10.1103/PhysRevLett.61.169. ISSN  0031-9007. PMID  10039050. S2CID  8479501. 
3. 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.
4. Dalibard, J .; Cohen-Tannoudji, C. (noviembre de 1989). "Enfriamiento del láser por debajo del límite Doppler por gradientes de polarización: modelos teóricos simples". JOSE B. 6 (11): 2023-2045. Código Bib : 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 del láser y funcionan con baja potencia del láser cuando el tiempo de bombeo óptico entre diferentes subniveles del estado fundamental se vuelve largo.