Nguyên lý làm mát bằng laser và ứng dụng của nó đối với các nguyên tử lạnh

Nguyên lý làm mát bằng laser và ứng dụng của nó đối với các nguyên tử lạnh

Trong vật lý nguyên tử lạnh, rất nhiều công việc thực nghiệm đòi hỏi phải kiểm soát các hạt (giam giữ các nguyên tử ion, chẳng hạn như đồng hồ nguyên tử), làm chúng chậm lại và cải thiện độ chính xác của phép đo. Với sự phát triển của công nghệ laser, việc làm mát bằng laser cũng bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong các nguyên tử lạnh.

Ở quy mô nguyên tử, bản chất của nhiệt độ là tốc độ chuyển động của các hạt. Làm mát bằng laser là việc sử dụng các photon và nguyên tử để trao đổi động lượng, từ đó làm mát các nguyên tử. Ví dụ, nếu một nguyên tử có vận tốc thuận và sau đó nó hấp thụ một photon đang bay theo hướng ngược lại thì vận tốc của nó sẽ chậm lại. Điều này giống như một quả bóng lăn về phía trước trên cỏ, nếu không bị các lực khác đẩy thì nó sẽ dừng lại do có “lực cản” khi tiếp xúc với cỏ.

Đây là quá trình làm mát nguyên tử bằng laser và quá trình này là một chu trình. Và chính vì chu kỳ này mà các nguyên tử tiếp tục nguội đi.

Trong đó, cách làm mát đơn giản nhất là sử dụng hiệu ứng Doppler.

Tuy nhiên, không phải tất cả các nguyên tử đều có thể được làm lạnh bằng tia laser, và phải tìm ra “sự chuyển đổi theo chu kỳ” giữa các cấp độ nguyên tử để đạt được điều này. Chỉ thông qua quá trình chuyển đổi theo chu kỳ mới có thể đạt được hiệu quả làm mát và tiếp tục liên tục.

Hiện nay, do nguyên tử kim loại kiềm (như Na) chỉ có một electron ở lớp ngoài và hai electron ở lớp ngoài cùng của nhóm kiềm thổ (như Sr) cũng có thể được coi là một tổng thể, nên năng lượng Mức độ của hai nguyên tử này rất đơn giản và dễ dàng đạt được “sự chuyển đổi theo chu kỳ”, vì vậy các nguyên tử được con người làm mát hiện nay hầu hết là các nguyên tử kim loại kiềm đơn giản hoặc nguyên tử kiềm thổ.

Nguyên lý làm mát bằng laser và ứng dụng của nó đối với các nguyên tử lạnh