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

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

Trong vật lý nguyên tử lạnh, nhiều công trình thực nghiệm đòi hỏi phải kiểm soát các hạt (giam giữ các nguyên tử ion, chẳng hạn như đồng hồ nguyên tử), làm chậm chúng 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 cấp độ nguyên tử, bản chất của nhiệt độ là tốc độ chuyển động của các hạt. Làm mát bằng laser là việc sử dụng photon và nguyên tử để trao đổi động lượng, từ đó làm mát 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 không có lực đẩy nào khác, nó sẽ dừng lại do "lực cản" sinh ra 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 nhờ chu trình này mà các nguyên tử liên 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 lạnh bằng laser, và cần phải tìm được một "chuyển tiếp tuần hoàn" giữa các cấp độ nguyên tử để đạt được điều này. Chỉ thông qua chuyển tiếp tuần hoàn, quá trình làm lạnh 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 tổng thể, nên mức năng lượng của hai nguyên tử này rất đơn giản và dễ dàng đạt được "chuyển tiếp tuần hoàn", vì vậy các nguyên tử hiện được con người làm lạnh chủ yếu là các nguyên tử kim loại kiềm hoặc nguyên tử kiềm thổ đơn giản.

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