Raman kylning

Inom atomfysik är Raman-kylning en underrekylkylningsteknik som tillåter kylning av atomer med optiska metoder under begränsningarna för Dopplerkylning , varvid Dopplerkylning begränsas av rekylenergin hos en foton som ges till en atom. Detta schema kan utföras i enkel optisk melass eller i melass där ett optiskt gitter har överlagrats, vilket kallas för frirumskylning respektive Raman-sidobandskylning. Båda teknikerna använder sig av Raman-spridning av laserljus av atomerna.

Två foton Raman process

Ett exempel på Raman två fotonprocessen, i det här fallet mellan två tillstånd genom ett virtuellt tillstånd något rödavstämt från ett verkligt exciterat tillstånd

Övergången mellan två hyperfina tillstånd hos atomen kan triggas av två laserstrålar : den första strålen exciterar atomen till ett virtuellt exciterat tillstånd (till exempel eftersom dess frekvens är lägre än den verkliga övergångsfrekvensen), och den andra strålen deexciterar atomen till den andra hyperfina nivån. Frekvensskillnaden mellan de två strålarna är exakt lika med övergångsfrekvensen mellan de två hyperfina nivåerna. Ramanövergångar är bra för kylning på grund av den extremt smala linjebredden hos Ramanövergångar mellan nivåer som har lång livslängd, och för att utnyttja den smala linjebredden måste skillnaden i frekvens mellan de två laserstrålarna kontrolleras mycket exakt.

Illustrationen av denna process visas i exemplet schematisk illustration av en två-foton Raman-process. Det möjliggör övergången mellan de två nivåerna $|g_{1}\rangle$ och $|g_{2}\rangle$ . Den mellanliggande, virtuella nivån representeras av den streckade linjen och är rödavstämd med avseende på den verkliga exciterade nivån, $|e\rangle$ . Frekvensskillnaden $f_{2}-f_{1}$ här matchar exakt energiskillnaden mellan $|g_{1}\rangle$ och $|g_{2}\rangle$ .

Ledigt utrymme Raman kylning

I detta schema genomgår ett förkylt moln av atomer (vars temperatur är några tiotals mikrokelviner) en serie pulser av Raman-liknande processer. Strålarna utbreder sig mot varandra och deras frekvenser är precis som vad som har beskrivits ovan, förutom att frekvensen $f_{2}$ nu är något rödavstämd (avstämning ${\displaystyle \Delta } )$ med med hänsyn till dess normala värde. Således kommer atomer som rör sig mot källan till lasern 2 med tillräcklig hastighet att vara resonanta med Raman-pulserna, tack vare Doppler- effekten . De kommer att vara glada inför $|g_{2}\rangle$ tillstånd och få en momentumkick som minskar deras hastighetsmodul.

Om utbredningsriktningarna för de två lasrarna byts om, kommer atomerna som rör sig i motsatt riktning att exciteras och få momentumkick som kommer att minska modulen för deras hastigheter. Genom att regelbundet byta ut lasrarnas utbredningsriktningar och variera avstämningen $\Delta$ kan man lyckas ha alla atomer för vilka den initiala hastigheten uppfyller $|v|>v_{max}$ i tillståndet $|g_{2}\rangle$ , medan atomerna så att $|v|<v_{max}$ är fortfarande i $|g_{1}\rangle$ tillstånd. En ny stråle slås på, vars frekvens är exakt övergångsfrekvensen mellan $|g_{2}\rangle$ och $|e\rangle$ . Detta kommer att optiskt pumpa atomerna från $|g_{2}\rangle$ tillstånd till $|g_{1}\rangle$ tillstånd, och hastigheterna kommer att randomiseras av denna process, så att en bråkdel av atomerna i $|g_{2}\rangle$ får en hastighet $|v|<v_{max}$ .

Genom att upprepa denna process flera gånger (åtta i originalpapperet, se referenser) kan molnets temperatur sänkas till mindre än en mikrokelvin.

Raman sidbandskylning

Raman sidbandskylning är en metod för att förbereda atomer i vibrationsgrundtillståndet av en periodisk potential och kyla dem under rekylgränsen. Den kan implementeras inuti en optisk dipolfälla där kylning med mindre förlust av fångade atomer kan uppnås i jämförelse med evaporativ kylning, kan implementeras som en mellanstegskylning för att förbättra effektiviteten och hastigheten för evaporativ kylning och är i allmänhet extremt okänslig till de traditionella begränsningarna för laserkylning till låga temperaturer vid höga densiteter. Det har framgångsrikt använts för att kyla joner, såväl som atomer som cesium, kalium och litium, etc.

Allmänt Raman sidobands kylsystem

Allmänt Raman-sidobandskylningsschema, där två olika fotoner genererar en Raman-övergång mellan vibrationsnivåer i två harmoniska oscillatorpotentialer, och sedan återpumpning återför övergången till det ursprungliga tillståndet, men den lägre vibrationsnivån bibehålls.

Huvudmetoden för Raman-sidbandskylning använder Raman-processen med två fotoner för att koppla $m,n$ nivåer som skiljer sig med en harmonisk oscillatorenergi. Eftersom atomerna inte är i sitt grundtillstånd kommer de att fångas i en av de exciterade nivåerna av den harmoniska oscillatorn. Syftet med Raman sidbandskylning är att sätta atomerna i grundtillståndet för den harmoniska potentialen. För ett allmänt exempel på ett schema är Raman-strålar (röda i det medföljande diagrammet) två olika fotoner ( $\gamma _{1}$ och ${\displaystyle \gamma _{2}} )$ som är linjärt polariserad annorlunda så att vi har en förändring i rörelsemängd, skiftande från $m_{F}=+1$ till $m_{F}=+2$ , men sänkning från $n$ till $n-1$ vibrationsnivåer. Sedan använder vi återpumpning med en enda stråle (blå i det medföljande diagrammet) som inte ändrar vibrationsnivåerna (dvs. håller oss i $n-1$ , vilket sänker tillståndet för den harmoniska potentialen i platsen.

Degenererad Raman sidbandskylning i ett optiskt gitter

Degenererad Raman sidbandskylning

Detta mer specifika kylschema utgår från atomer i en magneto-optisk fälla , med Raman-övergångar inuti ett optiskt gitter för att föra atomerna till deras vibrationsgrundtillstånd. Ett optiskt gitter är en spatialt periodisk potential som bildas av interferensen från strålar som utbreder sig mot varandra. Ett optiskt gitter rampas upp, så att en viktig del av atomerna sedan fångas. Om lasrarna i gittret är tillräckligt kraftfulla kan varje plats modelleras som en harmonisk fälla. Det optiska gittret bör ge en tät bindning för atomerna, för att förhindra dem från att interagera med de spridda resonansfotonerna och undertrycka uppvärmningen från dem. Detta kan kvantifieras i termer av Lamb-Dicke-parametern $\eta$ , som ger förhållandet mellan grundtillståndets vågpaketstorlek och våglängden för det interagerande laserljuset. I ett optiskt gitter $\eta$ tolkas som förhållandet mellan fotonrekylenergin och energiseparationen i vibrationslägena:

$\eta ={\sqrt {\frac {E_{r}}{E_{v}}}}<1$

där $E_{r}$ är rekylenergi och $E_{v}$ är vibrationsenergi. $\eta <1$ är Lamb-Dicke-gränsen . I denna regim är vibrationsenergin större än rekylenergin, och spridda fotoner kan inte ändra atomens vibrationstillstånd.

För specifikt degenererad Raman-sidbandskylning kan vi överväga en tvånivåatom, vars grundtillstånd har ett kvantantal ${\displaystyle F=1} ,$ så att den är trefaldigt degenererad med ${ \displaystyle m=-1}$ , $0$ eller $1$ . Ett magnetfält läggs till, vilket lyfter degenerationen i $m$ på grund av Zeeman-effekten . Dess värde är exakt inställt så att Zeeman delar mellan $m=-1$ och $m=0$ och mellan $m=0$ och ${\ displaystyle m=1}$ är lika med avståndet mellan två nivåer i den harmoniska potentialen som skapas av gittret.

Med hjälp av Raman-processer kan en atom överföras till ett tillstånd där det magnetiska momentet har minskat med en och även vibrationstillståndet har minskat med en (röda pilar på bilden ovan). Därefter pumpas atomerna som befinner sig i gitterpotentialens lägsta vibrationstillstånd (men med $m\neq 1$ ) optiskt till tillståndet $m=1$ (roll av ljusstrålarna $\sigma _{+}$ och ${\displaystyle \pi })$ . Eftersom temperaturen på atomerna är tillräckligt låg med avseende på pumpstrålens frekvenser, är det mycket troligt att atomen inte ändrar sitt vibrationstillstånd under pumpningsprocessen. Därmed hamnar den i ett lägre vibrationstillstånd, vilket är hur det kyls. För att uppnå denna effektiva överföring till det lägre vibrationstillståndet vid varje steg, bör laserns parametrar, dvs kraft och timing, noggrant ställas in. Generellt sett är dessa parametrar olika för olika vibrationstillstånd eftersom styrkan på kopplingen ( Rabi-frekvens ) beror på vibrationsnivån. Ytterligare komplikationer till denna naiva bild uppstår från rekylen av fotoner , som driver denna övergång. Den sista komplikationen kan generellt undvikas genom att utföra kylning i den tidigare nämnda Lamb-Dicke-regimen , där atomen fångas så starkt i det optiska gittret att den effektivt inte ändrar sin rörelsemängd på grund av fotonrekylerna. Situationen liknar Mössbauereffekten .

Detta kylschema gör att man kan erhålla en ganska hög densitet av atomer vid en låg temperatur med endast optiska tekniker. Till exempel uppnåddes Bose-Einstein-kondensationen av cesium för första gången i ett experiment som använde Raman sidbandskylning som sitt första steg. Nyligen genomförda experiment har visat att det till och med är tillräckligt att uppnå Bose–Einstein-kondensering direkt.

Se även

• Laser kylning
• Sub-Doppler kylning