Qu'est-ce que le refroidissement laser?
Le refroidissement par laser fait référence à la variété de techniques utilisées pour refroidir des échantillons atomiques et moléculaires à une température proche du zéro absolu. Les techniques de refroidissement par laser sont basées sur le fait qu'un atome (de n'importe quel échantillon de métal) change de quantité de mouvement (et d'énergie) lorsqu'il absorbe puis réémet un photon.
La température thermodynamique d'un ensemble d'atomes ou de molécules dépend de la variance de leur quantité de mouvement ou de leur vitesse. Lorsque les vitesses des particules sont homogènes, leur température collective est plus faible. Ce principe thermodynamique est associé à la spectroscopie atomique pour conduire des techniques de refroidissement laser sur des échantillons moléculaires ou atomiques.
Quel est le principe du refroidissement laser?
Le refroidissement laser est principalement basé sur le fait qu'un atome (de n'importe quel échantillon de métal) change de quantité de mouvement (et d'énergie) lorsqu'il absorbe puis réémet un photon. Pour le refroidissement laser, la fréquence du laser est accordée en dessous de la fréquence de l'onde émise par la transition atomique.
Lorsque l'atome s'approche du faisceau laser, par effet Doppler, la fréquence de la lumière augmente par rapport à l'atome. Par conséquent, les atomes qui se dirigent vers le faisceau laser ont une probabilité accrue d'absorber un photon. L'inverse se produit lorsque les atomes s'éloignent du faisceau laser.
Qu'est-ce que l'effet Doppler?
L'effet Doppler ou le décalage Doppler fait référence au changement de fréquence d'une onde par rapport à l'observateur se déplaçant le long de la source d'onde. Lorsque les ondes d'une source s'approchent d'un observateur, chaque vague prend un peu moins de temps que la vague précédente. Ainsi, la durée de la crête de vague successive à l'approche de l'observateur est réduite. Par conséquent, la fréquence est augmentée. Inversement, lorsque la source d'onde s'éloigne de l'observateur, la durée est augmentée et la fréquence est réduite.
Quels sont les types de refroidissement laser?
Les différentes techniques de refroidissement laser sont:
Refroidissement Doppler:
Refroidissement Doppler du technique de refroidissement laser la plus couramment utilisée. Le refroidissement Doppler consiste à régler la fréquence de la lumière un peu en dessous du transition électronique dans un atome. Les atomes absorbent plus de photons lorsqu'ils se déplacent vers la source de lumière en raison de l'effet Doppler lorsque la lumière est désaccordée à une fréquence plus basse. Par conséquent, les atomes diffusent plus de photons et perdent à chaque fois un élan équivalent à l'élan du photon. Avec une diminution de l'impulsion, l'énergie cinétique des atomes est réduite, abaissant ainsi la température globale de l'échantillon à la limite de refroidissement Doppler (qui est d'environ 150 microkelvin)
Refroidissement Sisyphe:
Le refroidissement de Sisyphe est également connu sous le nom de refroidissement par gradient de polarisation. Il s'agit d'une variante de la technique de refroidissement laser qui consiste à faire briller deux faisceaux laser à propagation contrariante ayant une polarisation orthogonale sur un échantillon d'atome ou de molécule. Une onde stationnaire est générée par les deux faisceaux laser interférents. Les atomes ont tendance à perdre de l’énergie cinétique à mesure qu’ils se déplacent avec l’onde stationnaire vers le potentiel le plus élevé. Au potentiel maximum, le pompage optique déplace les atomes vers un état d’énergie inférieure, supprimant l’énergie potentielle qu’ils ont gagnée. Cette perte d'énergie contribue au refroidissement des atomes en dessous de la limite de refroidissement Doppler.
Refroidissement de bande latérale résolu:
Le refroidissement par bande latérale résolue est une autre variante des techniques de refroidissement laser qui se spécialise dans le refroidissement des ions et des atomes étroitement liés en dessous de la limite de refroidissement Doppler. Le refroidissement de bande latérale résolue est généralement effectué après l'application du refroidissement Doppler pour piéger les atomes dans leur mouvement. état fondamental. L'atome refroidi est alors considéré comme un bon oscillateur harmonique mécanique quantique. Dans cette technique, le refroidissement est obtenu en accordant la fréquence du faisceau laser sur la bande latérale rouge inférieure.
Refroidissement à bande latérale Raman:
Le refroidissement de bande latérale Raman fait référence à une technique de refroidissement de sous-bobine qui refroidit les atomes en dessous de la limite de refroidissement Doppler en utilisant des méthodes optiques. Dans le refroidissement Raman, le processus commence à partir d'atomes présents dans un piège magnéto-optique. Les sites ayant des atomes peuvent être convertis en piège harmonique si les lasers du réseau optique sont suffisamment puissants. Les atomes sont susceptibles d'être piégés dans l'un des niveaux de l'oscillateur harmonique. L'objectif principal du refroidissement en bande latérale Raman est de mettre les atomes du réseau dans l'état fondamental du potentiel harmonique. Cela fournit une haute densité d'atomes à basse température.
Quelles sont les utilisations du refroidissement laser?
Le refroidissement laser est principalement utilisé à des fins expérimentales. Les expériences de physique quantique nécessitent des atomes ultra froids générés par refroidissement laser. Les effets quantiques comme la condensation de Bose-Einstein nécessitent des atomes proches de la température zéro absolue. Auparavant, le refroidissement laser était effectué uniquement sur les atomes. Cependant, de nos jours, le refroidissement laser est effectué sur des systèmes plus complexes tels qu'une molécule diatomique ou un objet à macro-échelle. Le refroidissement laser a beaucoup contribué à l'étude des particules quantiques.
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