Prinzip der Laserkühlung und ihre Anwendung auf kalte Atome
In der Physik kalter Atome erfordern viele experimentelle Arbeiten die Kontrolle von Teilchen (das Einsperren ionischer Atome, z. B. Atomuhren), deren Verlangsamung und die Verbesserung der Messgenauigkeit. Mit der Entwicklung der Lasertechnologie hat die Laserkühlung auch bei kalten Atomen breite Anwendung gefunden.
Auf atomarer Ebene ist das Wesen der Temperatur die Geschwindigkeit, mit der sich Teilchen bewegen. Bei der Laserkühlung werden Photonen und Atome zum Austausch von Impulsen genutzt, wodurch Atome gekühlt werden. Wenn beispielsweise ein Atom eine Vorwärtsgeschwindigkeit hat und dann ein fliegendes Photon absorbiert, das sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt, verlangsamt sich seine Geschwindigkeit. Das ist wie bei einem Ball, der auf dem Gras vorwärtsrollt. Wenn er nicht von anderen Kräften angeschoben wird, stoppt er aufgrund des „Widerstands“, der durch den Kontakt mit dem Gras entsteht.
Dabei handelt es sich um die Laserkühlung von Atomen, und der Prozess ist ein Kreislauf. Und aufgrund dieses Zyklus kühlen die Atome immer weiter ab.
Die einfachste Kühlung besteht dabei in der Nutzung des Dopplereffekts.
Allerdings können nicht alle Atome durch Laser gekühlt werden, und um dies zu erreichen, muss ein „zyklischer Übergang“ zwischen den atomaren Ebenen gefunden werden. Nur durch zyklische Übergänge kann eine Abkühlung erreicht und kontinuierlich fortgesetzt werden.
Da das Alkalimetallatom (wie Na) derzeit nur ein Elektron in der äußeren Schicht hat und die beiden Elektronen in der äußersten Schicht der Erdalkaligruppe (wie Sr) auch als Ganzes betrachtet werden können, ist die Energie Die Ebenen dieser beiden Atome sind sehr einfach und es ist leicht, einen „zyklischen Übergang“ zu erreichen. Daher sind die Atome, die jetzt von Menschen gekühlt werden, meist einfache Alkalimetallatome oder Erdalkaliatome.
Prinzip der Laserkühlung und ihre Anwendung auf kalte Atome
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 25. Juni 2023