Laserkøling – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

11. august 2008

Laserkøling

Hej Malte
Jeg underviser i fysik i gymnasiet, og kunne godt tænke mig at sætte mig lidt ind i, hvad laserkøling egentlig er for noget, og hvad det kan bruges til. Findes der oversigtsartikler som ikke kræver stor indsigt i kvantemekanik?

Et mere konkret spørgemål:
Jeg har forstået, at laserkøling blandt andet handler om stød mellem fotoner og atomer.

Hvis man nu tænker sig nogle atomer i en lagerring skal køles med fotoner, hvad er så realistiske værdier for atommasser, hastigheder og bølgelængder, som man kan regne på ved hjælp af energi og impulsbevarelse?

I hvilken type eksperimenter kunne ovenstående scenarium forekomme?

Med venlig hilsen
D N

 

Lys kan påvirke atomers bevægelse gennem impulsoverførelse. Er bølgelængden af lyset nøje tilpasset atomets overgangsfrekvens, vil absorption finde sted og atomet overtager fotonens impuls og energi.

Efter en karakteristisk tid, atomets levetid, udsender atomet fotonen i en tilfældig retning. Denne proces kaldes spontant henfald.

Ved spontant henfald modtager atomet rekylet fra foton-udsendelsen, men dette foregår i vilkårlige retninger og vil, midlet over mange absorption-emissions processer, ikke have nogen netto effekt. Atomer kan derfor bremses ved brug af laserstråler, da det er muligt at overføre netto impuls i laserstrålens retning, mens det spontane henfald, udsendt i tilfældige retninger, i middel ikke bidrager.

På atomar skala kan lyskræfter blive ganske store. Levetiden af atomer i den anslåede tilstand er typisk meget lille, af størrelsesorden nanosekunder(10-9s), og atomet vil derfor hurtigt være klar til endnu en foton absorption. Den acceleration atomet udsættes for med en laserstråle er ca. en million gange tyngdeaccelerationen! Atomer fra en 550 grader varm ovn har hastigheder på op til 800 m/s, og vil på mindre end et millisekund kunne bremses ned til få meter per sekund over en afstand på mindre end 30 cm.

Den acceleration atomet udsættes for kan estimeres fra newtons lov:

  •  a = 1/m*Δ P/Δ t

hvor m er massen af atomet. Typiske atomer er alkali og jord alkali atomer idet de har elektroniske overgange der kan nås med standard laser kilder. For en typisk cyklus er Δ t = 10-9 sekund, og Δ P er impuls ændringen given ved Δ P = h/λ, λ laser bølgelængden og h
plancks konstant. Indsættes værdier for natrium atomet med den gule linje på 589 nm fås accelerationer af størrelsordenen 5*10^+6 m/s^2.

I praksis benyttes ikke kun én laserstråle, men flere

Et atom med hastigheden v befinder sig mellem to laserstråler, der begge peger mod atomet. Begge laserstråler har en frekvens, der er en smule mindre end atomets resonansfrekvens. Da atomet bevæger sig mod højre, vil det opleve flere bølgetoppe fra den højre laserstråle og altså en lidt større frekvens end fra den venstre laserstråle.

Denne effekt kaldes Doppler-effekten og er analog til forskydning af tonehøjde fra en ambulance under udrykning. Når ambulancen bevæger sig imod os, opfatter vi tonen som højere (flere bølgetoppe), og når den har passeret os, bliver tonen dybere (færre bølgetoppe).

Således vil atomet absorbere flere fotoner fra den højre laserstråle (tæt på resonans) end fra den venstre stråle (længere fra resonans). Herved opstår en netto kraft, som er modsat rettet atomets bevægelsesretning. Kraften er kun nul, når atomet ligger helt stille. Ovenstående kan udvides til tre dimensioner. Benyttes laserstråler langs tre ortogonale retninger, vil alle tre retninger af atomets hastighed kunne køles. Kombineres laserstrålerne med et ikke-homogent magnetfelt skabt af to magnetspoler, viser det sig at kraften bliver stedafhængig.

Nulpunktet af magnetfeltet mellem de to spoler definerer centeret af den atomare fælde. Forskydes et atom fra dette nulpunkt, kommer atomet i resonans med lyset og skubbes af laseren tilbage mod centeret.

I lagerringe arbejder man med ioner og disse kan også laser køles. Den type eksperimenter har været udført f.eks på lagerringen ASTRID i århus bla. med Li+ ioner. Princippet er ganske som ovenfor beskrevet, blot er der nu en endelig tid ionberne vekselvirker med lyset, idet de rotere rundt i ringen.

Forslag til nærmere studier:

  1. Hjemmeside hvor kolde atomer og laser køling besrives med interaktive
    eksperimenter:  http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/index.html
  2. Artikel der ikke benytter kvante mekanik i stor stil vedlagt.

Med venlig hilsen
Jan W Thomsen, lektor