Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA, IČO: 26551772, ISSN: 1214-1674,
Číslo 12 (vyšlo 24. března), ročník 1 (2003)
(c) Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.

Email: bulletin@aldebaran.cz
 

11/2003 12/2003

Michal Stránský: Laserové ochlazování

V roce 1997 byla na toto téma Stevenovi Chuovi, Claudeovi N. Cohen-Tannoudjimu a Williamovi D. Philipsovi  udělena Nobelova cena za fyziku. Těmto fyzikům se podařilo postavit laserové zařízení umožňující ochladit atomární plyny na teploty tisícin až milióntin Kelvinů. Teoreticky už byla možnost ochlazování laserem delší dobu předpovězena, ovšem technická realizace přišla mnohem později.

Princip

Je obecně známo, že atom může pohltit foton o určité energii, pokud v něm existuje možný přechod elektronu z nižší do vyšší energetické hladiny s daným rozdílem energií shodným s příchozím fotonem, viz Obr. 1.

Obr. 1: E1 a E2 jsou energetické hladiny atomu. Pro absorpci nebo emisi fotonu platí, že jeho energie hf se musí rovnat E2−E1 (h je Planckova konstanta, f je frekvence).

Ve skutečnosti ale foton nemusí mít tuto energii úplně přesně. Atom může absorbovat s menší pravděpodobností i fotony s o trošku jinou frekvencí. Typická absorpční křivka je zobrazena na Obr. 2. Celé kouzlo laserového ochlazování pak spočívá v tom, že se frekvence laseru naladí na nižší frekvenci než atom absorbuje, a pouze atomy pohybující se směrem proti laseru díky Dopplerovu jevu budou "vnímat" posunutou frekvenci a foton mohou absorbovat.

Obr. 2: Absorpční křivka atomu

Foton ale kromě energie nese hybnost, a díky tomu, že pouze vstřícné fotony jsou pohlceny, je o tuto hybnost snížena hybnost atomu. Po krátké době (cca 10−8 s) atom přebytečnou energii samovolně vyzáří ve formě fotonu, ale v náhodném směru, což předá atomu zpětný impuls, ve směru opačném než odletěl foton. Díky trojúhelníkové nerovnosti bude velikost hybnosti atomu po vyzáření fotonu nižší než na začátku (viz Obr. 3). Nižší hybnost znamená nižší rychlost a tedy nižší teplotu, energii. Atomy si pak srážkami energie přerozdělí. Tento princip ovšem není jediný a konečný, který se používá k získání atomárních plynových kondenzátů. Laserové ochlazování má své hranice, a po jejich dosažení se používá principu evaporativního ochlazování, při kterém je postupně snižována hladina energetické pasti atomů, přičemž unikají nejenergičtější atomy z pasti ven.

Obr. 3:

  1. Před srážkou: Hybnost atomu je p a fotonu hν.

  2. Přímá srážka: Atom s hybností p pohltí foton hν. Výsledný excitovaný atom má menší hybnost (střed modré kružnice), po samovolné emisi fotonu v náhodném směru (hν′ ) dostane atom zpětný impuls, a jeho výsledná hybnost je p′. Konec vektoru hybnosti v rovině srážky tedy může ležet kdekoliv na modré kružnici. Červenou kružnicí je označena původní velikost hybnosti atomu, je zřejmé že modrá kružnice (tedy koncový bod vektoru) leží celá v oblasti vyhraničené červenou kružnicí, tedy velikost výsledné hybnosti je menší nebo rovna počáteční.

  3. Nepřímá srážka: Celý proces již nelze nakreslit do jedné roviny. Existuje totiž rovina procesu pohlcení, a rovina vyzáření. Nicméně lze roviny natočit podle osy střed červené - střed modré sféry do jednoho obrázku. Část obrázku je v rovině pohlcení: červený a navazující černý vektor, druhá část je v rovině vyzáření: modrý a druhý černý vektor. Je vidět že již část modré kružnice přesahuje červenou, tudíž je možné že se atom urychlí, ale v průměru se tak neděje.

 

Tento projekt byl podporován výzkumným programem No J04/98:212300017 ”Research of Energy Consumption Effectiveness and Quality” ČVUT v Praze, výzkumným programem INGO No LA 055 ”Research in Frame of the International Center on Dense Magnetized Plasmas” a výzkumným centrem ”Research Center of Laser Plasma” LN00A100 MŠMT ČR.

Odkazy

 

Aldebaran Homepage