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

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

Trong vật lý nguyên tử lạnh, nhiều công việc thử nghiệm đòi hỏi phải kiểm soát các hạt (giam giữ các nguyên tử ion, chẳng hạn như đồng hồ nguyên tử), làm chậm chúng lại và cải thiện độ chính xác của phép đo. Với sự phát triển của công nghệ laser, 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 mà các hạt di chuyển. Làm mát bằng laser là sử dụng photon và nguyên tử để trao đổi động lượng, do đó làm mát các nguyên tử. Ví dụ, nếu một nguyên tử có vận tốc hướng về phía trước, 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 nó không bị các lực khác đẩy, nó sẽ dừng lại do "lực cản" gây ra khi tiếp xúc với cỏ.

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

Trong trường hợp này, 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 mát bằng tia laser, và phải tìm thấy một "chuyển đổi tuần hoàn" giữa các cấp độ nguyên tử để đạt được điều này. Chỉ thông qua các chuyển đổi tuần hoàn, quá trình làm mát mới có thể đạt được và tiếp tục liên tục.

Hiện nay, vì nguyên tử kim loại kiềm (như Na) chỉ có một electron ở lớp ngoài cùng, và hai electron ở lớp ngoài cùng của nhóm kiềm thổ (như Sr) cũng có thể được coi là một chỉnh thể, nên mức năng lượng của hai nguyên tử này rất đơn giản, dễ dàng đạt được “chuyển đổi tuần hoàn”, vì vậy các nguyên tử hiện được con người làm lạnh phần lớn là các nguyên tử kim loại kiềm hoặc nguyên tử kiềm thổ đơn giản.

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