Was ist Laserkühlung?
Laserkühlung bezieht sich auf die Vielzahl von Techniken, die zum Abkühlen von atomaren und molekularen Proben auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt verwendet werden. Die Techniken der Laserkühlung basieren auf der Tatsache, dass ein Atom (einer beliebigen Metallprobe) seinen Impuls (und seine Energie) ändert, wenn es ein Photon absorbiert und dann wieder emittiert.
Die thermodynamische Temperatur eines Atom- oder Molekülensembles hängt von der Varianz ihres Impulses oder ihrer Geschwindigkeit ab. Wenn die Geschwindigkeiten der Teilchen homogen sind, ist ihre kollektive Temperatur niedriger. Dieses thermodynamische Prinzip wird mit der Atomspektroskopie kombiniert, um Laserkühltechniken an molekularen oder atomaren Proben durchzuführen.
Was ist das Prinzip der Laserkühlung?
Die Laserkühlung basiert hauptsächlich auf der Tatsache, dass ein Atom (jeder Metallprobe) seinen Impuls (und seine Energie) ändert, wenn es ein Photon absorbiert und dann wieder emittiert. Zur Laserkühlung wird die Frequenz des Lasers unterhalb der Frequenz der vom atomaren Übergang emittierten Welle abgestimmt.
Nähert sich das Atom dem Laserstrahl, erhöht sich durch den Doppler-Effekt die Frequenz des Lichts gegenüber dem Atom. Daher haben die Atome, die sich auf den Laserstrahl zubewegen, eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, ein Photon zu absorbieren. Das Gegenteil passiert, wenn sich die Atome vom Laserstrahl entfernen.
Was ist der Doppler-Effekt?
Der Doppler-Effekt oder die Doppler-Verschiebung bezieht sich auf die Änderung der Frequenz einer Welle in Bezug auf den Beobachter, der sich entlang der Wellenquelle bewegt. Wenn sich die Wellen einer Quelle einem Beobachter nähern, benötigt jede Welle etwas weniger Zeit als die vorherige Welle. Dadurch wird die Zeitspanne aufeinanderfolgender Wellenberge, die sich dem Beobachter nähern, verringert. Daher wird die Frequenz erhöht. Wenn sich umgekehrt die Wellenquelle vom Beobachter entfernt, wird die Zeitspanne erhöht und die Frequenz verringert.
Welche Arten der Laserkühlung gibt es?
Die verschiedenen Techniken der Laserkühlung sind:
Doppler-Kühlung:
Doppler kühlt die am häufigsten verwendete Laserkühlungstechnik. Bei der Doppler-Kühlung wird die Lichtfrequenz etwas unterhalb der Frequenz eingestellt elektronischer Übergang in einem Atom. Die Atome absorbieren aufgrund des Doppler-Effekts mehr Photonen, wenn sie sich zur Lichtquelle bewegen, wenn das Licht auf eine niedrigere Frequenz verstimmt wird. Daher streuen die Atome mehr Photonen und verlieren jedes Mal einen Impuls, der dem Impuls des Photons entspricht. Mit einer Abnahme des Impulses wird die kinetische Energie der Atome verringert, wodurch die Gesamttemperatur der Probe auf die Doppler-Abkühlungsgrenze (die bei etwa 150 Mikrokelvin liegt) gesenkt wird.
Sisyphus-Kühlung:
Sisyphus-Kühlung ist auch bekannt als Polarisationsgradientenkühlung. Dabei handelt es sich um eine Variante der Laserkühlungstechnik, bei der zwei gegenläufige Laserstrahlen mit orthogonaler Polarisation auf eine Atom- oder Molekülprobe gerichtet werden. Durch die Interferenz der beiden Laserstrahlen entsteht eine stehende Welle. Die Atome neigen dazu, kinetische Energie zu verlieren, wenn sie sich mit der stehenden Welle in Richtung des höheren Potentials bewegen. Bei maximalem Potenzial werden die Atome durch optisches Pumpen in einen Zustand niedrigerer Energie versetzt, wodurch die gewonnene potenzielle Energie verloren geht. Dieser Energieverlust trägt zur Abkühlung der Atome unter die Doppler-Kühlgrenze bei.
Aufgelöste Seitenbandkühlung:
Die aufgelöste Seitenbandkühlung ist eine weitere Variante der Laserkühlungstechniken, die sich auf das Abkühlen fest gebundener Ionen und Atome unterhalb der Doppler-Kühlgrenze spezialisiert hat. Eine aufgelöste Seitenbandkühlung wird im Allgemeinen nach der Anwendung der Doppler-Kühlung durchgeführt, um die Atome in ihrer Bewegung einzufangen Grundzustand. Das abgekühlte Atom wird dann als ein guter quantenmechanischer harmonischer Oszillator angesehen. Bei dieser Technik wird die Kühlung erreicht, indem die Laserstrahlfrequenz auf das untere rote Seitenband abgestimmt wird.
Raman Sideband Kühlung:
Raman-Seitenbandkühlung bezieht sich auf eine Subspulenkühlungstechnik, die Atome unter Verwendung optischer Verfahren unter die Doppler-Kühlgrenze abkühlt. Bei der Raman-Kühlung beginnt der Prozess mit Atomen, die in einer magnetooptischen Falle vorhanden sind. Die Stellen mit Atomen können in eine harmonische Falle umgewandelt werden, wenn die Laser des optischen Gitters stark genug sind. Es ist wahrscheinlich, dass die Atome in einer der Ebenen des harmonischen Oszillators eingeschlossen sind. Das Hauptziel der Raman-Seitenbandkühlung besteht darin, die Atome des Gitters in den Grundzustand des harmonischen Potentials zu versetzen. Dies liefert eine hohe Dichte von Atomen bei einer niedrigen Temperatur.
Wozu dient die Laserkühlung?
Die Laserkühlung wird hauptsächlich zu Versuchszwecken eingesetzt. Quantenphysik-Experimente erfordern ultrakalte Atome, die durch Laserkühlung erzeugt werden. Quanteneffekte wie die Bose-Einstein-Kondensation benötigen Atome nahe der absoluten Nulltemperatur. Früher wurde die Laserkühlung nur an Atomen durchgeführt. Heutzutage wird die Laserkühlung jedoch an komplexeren Systemen wie einem zweiatomigen Molekül oder einem Objekt im Makromaßstab durchgeführt. Die Laserkühlung hat viel zur Untersuchung von Quantenteilchen beigetragen.
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