Refrigeración de Sísifo

El enfriamiento de átomos de Sísifo ( eng. Enfriamiento de Sísifo ) es un mecanismo para reducir la temperatura de los átomos usando luz láser a temperaturas por debajo de las alcanzables usando enfriamiento Doppler (~ 500 μK). El enfriamiento es el resultado de la interacción de los átomos con un gradiente de polarización creado por dos rayos láser que se propagan uno hacia el otro con polarización lineal ortogonal. Los átomos que vuelan en la dirección de la onda de luz como resultado de una transición espontánea del nivel superior al inferior del estado "vestido" ( vestido dress ) pierden energía cinética. Como resultado, la temperatura de los átomos disminuye en dos órdenes de magnitud en comparación con la temperatura obtenida por enfriamiento Doppler (~ 10 μK).

Introducción

Para comprender el mecanismo de enfriamiento de un átomo mediante el proceso de Sísifo, es necesario involucrar los siguientes procesos físicos:

ligeros cambios de niveles atómicos
gradiente de polarización de la luz

Efecto Stark variable

Un átomo colocado en un campo eléctrico externo cambia su energía. Como resultado, los niveles de energía del átomo se desplazan por , donde es el momento dipolar eléctrico del átomo. ${\mathcal {E}}$ $\Delta {E}={\vec {d}}\cdot {\vec ({\mathcal {E}}}}$ $\vec{d}$

Este efecto se llama efecto Stark . Se observa un comportamiento similar de un átomo en un campo eléctrico alterno, incluso cuando se ilumina con luz, se denomina "efecto Stark variable" (en la literatura inglesa, efecto AC-Stark ):

\Delta{E} = -c^2{\frac{\Omega^2}{2\delta}}

donde está la frecuencia de Rabi , es la desafinación de la frecuencia del láser de la resonancia atómica $\Omega ={\frac {{\vec {d}}\cdot {\vec {\mathcal {E}}}}{\hbar }}$ ${\ estilo de visualización \ delta}$ ${\ estilo de visualización \ nu _ {L}}$

Estructura de nivel de modelo

La estructura de energía modelo del átomo se muestra en la Fig.2. En este diagrama se puede ver que las transiciones entre niveles bajo la acción de la luz, dependiendo de su polarización, ocurren con diferentes probabilidades. La probabilidad de transiciones entre niveles y bajo la acción de la luz con polarización circular es igual a la unidad . Mientras que la probabilidad de transiciones entre niveles y es tres veces menor (1/3) . En el caso de excitación de niveles y por luz polarizada linealmente , la probabilidad de transición es (2/3) . $J_{g} \to J_{e}$
$\left|g_{-{\frac {1}{2}}}\right\rangle \to \left|~e_{-{\frac {3}{2}}}\right\rangle$ $\left|g_{+{\frac {1}{2}}}\right\rangle \to ~\left|e_{+{\frac {3}{2}}}\right\rangle$
$\left|g_{+{\frac {1}{2}}}\right\rangle \to \left|~e_{-{\frac {1}{2}}}\right\rangle$ $\left|g_{-{\frac {1}{2}}}\right\rangle \to \left|~e_{+{\frac {1}{2}}}\right\rangle$
$\left|g_{-{\frac {1}{2}}}\right\rangle \to \left|~e_{-{\frac {1}{2}}}\right\rangle$ $\left|~g_{+\frac{1}{2}}\right\rangle \to \left|~e_{+\frac{1}{2}}\right\rangle$

Gradiente de polarización

En el caso de que dos ondas polarizadas linealmente se propaguen en un vapor atómico, ortogonales entre sí y moviéndose una hacia la otra, el átomo ve una polarización total con un comportamiento muy peculiar, ver Fig.3.

En el punto O, la polarización será lineal, luego en el punto se convertirá en circular, girando hacia la izquierda. Con más movimiento del átomo, el giro de la polarización lineal (girado 90 ° con respecto al original, punto ) y circular a la derecha (punto . B volverá a la polarización lineal original, pero con un retraso de 180 grados). El período de cambio completo de polarización es . $\lambda /8$ $\lambda /4$ $3\lambda /8$ $\lambda /2$ $\lambda /2$

El gradiente de polarización descrito conducirá al hecho de que en diferentes puntos del espacio un átomo en movimiento tendrá un cambio de niveles de luz diferente.

Considere un ejemplo de luz cuya frecuencia es menor que la frecuencia de transición (ver Fig. 4): $\nu_{}$ $\nu_{L}$

Punto O. Aquí el cambio de nivel de luz es el mismo para ambos niveles (línea roja), (línea verde). $g_{-1/2}$ $g_{+1/2}$
punto _ En este punto, la polarización ha cambiado a una onda circular polarizada hacia la izquierda, que interactúa con las transiciones y . La primera transición tiene una mayor probabilidad de transición que la segunda y, por lo tanto, un mayor momento dipolar y desplazamiento, ver Fig.4. $\lambda /8$ $\left|g_{-\frac{1}{2}}\right\rangle \to \left|e_{-\frac{3}{2}}\right\rangle$ $\left|g_{+\frac{1}{2}}\right\rangle \to \left|e_{-\frac{1}{2}}\right\rangle$
punto _ Aquí, el cambio de nivel de luz volverá a ser el mismo para ambos niveles (línea roja), (línea verde) $\lambda /4$ $g_{-1/2}$ $g_{+1/2}$
punto _ La onda polarizada de la derecha interactúa con las transiciones y . La primera transición tiene una probabilidad de transición más pequeña que la segunda y, por lo tanto, un momento dipolar y un desplazamiento más pequeños que la segunda transición. $3\lambda /8$ $\left|g_{-\frac{1}{2}}\right\rangle \to \left|e_{+\frac{1}{2}}\right\rangle$ $\left|g_{+\frac{1}{2}}\right\rangle \to \left|e_{+\frac{3}{2}}\right\rangle$

Descripción cualitativa del proceso de enfriamiento

Supongamos que en el momento de encender la radiación láser, los átomos que se mueven a lo largo del eje OZ están en el punto λ / 8. En este punto, la luz polarizada hacia la izquierda provocará transiciones forzadas del átomo entre los niveles y . El tiempo de vida de un átomo en estado excitado para metales alcalinos es de aproximadamente = 30 ns, después de lo cual el átomo volverá espontáneamente a su estado original oa otro nivel de acuerdo con las reglas de selección. En el caso que nos ocupa, entre los posibles caminos de desintegración hay uno que conducirá a la pérdida de energía, a saber: . $\left|g_{+{\frac {1}{2}}}\right\rangle \to \left|~e_{-{\frac {1}{2}}}\right\rangle$ $\left|g_{-{\frac {1}{2}}}\right\rangle \to \left|~e_{-{\frac {3}{2}}}\right\rangle$ $\tau_a$ $\tau_a$ $\left|e_{-{\frac {1}{2}}}\right\rangle \to \left|~g_{-{\frac {1}{2}}}\right\rangle$

El átomo estará en el potencial de transición bien formado como resultado del cambio de luz. Durante esta transición espontánea con la emisión de un fotón en dirección aleatoria, el átomo pierde la energía adquirida por la absorción de un fotón en dirección -OZ, es decir, debido a la anisotropía del proceso, la componente de velocidad atómica a lo largo el eje OZ disminuirá. Se observará un balance de energía algo diferente en otra transición. $g_{-1/2}$

Los átomos, habiendo alcanzado el nivel , continuarán moviéndose y, al mismo tiempo, subirán la colina potencial formada como resultado del cambio de luz, perdiendo energía cinética (frenándose). En un punto , un átomo hará una transición forzada de nivel a nivel bajo la acción de la polarización circular derecha , y desde allí decaerá espontáneamente a nivel , luego perderá (habiendo emitido) energía . Después de eso, el átomo volverá a comenzar a subir, perdiendo energía, mientras que nuevamente en el punto el proceso se repetirá nuevamente. $g_{-1/2}$ $3\lambda/ 8$ $g_{-1/2}$ $e_{+1/2}$ $g_{+1/2}$ $\Delta E$ $5\lambda/8$

Antecedentes

Los estudios teóricos del enfriamiento de átomos por luz láser comenzaron en la década de 1970. El primer proceso desarrollado teóricamente fue el llamado enfriamiento Doppler de los átomos. En [1] se mostró que el enfriamiento Doppler hace posible bajar la temperatura de los átomos a un valor determinado por la semianchura natural de la línea de la transición óptica resonante de los átomos. En la década de 1980, los estudios experimentales sobre el enfriamiento de átomos mediante luz láser se convirtieron en un tema candente en el campo de la investigación de la física fundamental. A fines de la década de 1980, los átomos se habían enfriado muy por debajo de la temperatura predicha por la teoría del enfriamiento Doppler. Era necesario explicar las discrepancias entre teoría y experimento. Tal explicación fue dada en 1989 (ver literatura ) por un grupo de físicos franceses liderados por C. Cohen -Tannouudji . Esto se hizo utilizando el mecanismo de "enfriamiento de Sísifo" (o el segundo nombre para el mecanismo de gradiente de polarización). El mecanismo de enfriamiento fue nombrado por los autores en honor al héroe de la mitología griega Sísifo , quien arrastró la piedra hasta la cima de la montaña, desde donde la piedra cayó y Sísifo tuvo que levantarla una y otra vez. Esto continuó sin cesar. $T=\hbar\gamma/k_{B}$

En 1997, por una serie de trabajos sobre el enfriamiento de los átomos, en particular, por explicar el mecanismo de enfriamiento de Sísifo, el científico francés Cohen-Tanuji fue galardonado con el Premio Nobel de Física .

Notas

↑ V. S. Letokhov, V. G. Minogin, B. D. Pavlik. Enfriamiento y atrapamiento de átomos y moléculas por un campo láser resonante. JETP 72 , 1328 (1977).

Literatura

M. Grajcar, SHW van der Ploeg, A. Izmalkov, E. Il'ichev, H.-G. Meyer, A. Fedorov, A. Shnirman y Gerd Schön. Enfriamiento y amplificación de Sísifo por un qubit superconductor (inglés) (pdf). Física de la Naturaleza (2008). Recuperado: 15 de febrero de 2010.

Enlaces

y. "Ciencia y vida". PREMIOS NOBEL 1997. ÁTOMOS MUY FRÍOS No. 1, 1998 S. LATYSHEV
Conferencia Nobel de William D. Phillips, 8 de diciembre de 1997.
Pie, CJ Física Atómica. Prensa de la Universidad de Oxford (2005).
J. Dalibard y C. Cohen-Tannouudji, Enfriamiento láser por debajo del límite Doppler por gradientes de polarización: modelos teóricos simples, J. Opt. Soc. Am. B, 6, 20232045 (1989)

Véase también

Letokhov, Vladilen Stepanovich