سرد کردن اتمها با لیزر

شیره اپتیکی حاوی اتمهای غوطه ور

اتمها و مولکولهای تشکیل دهنده هوا، در دمای اتاق با سرعتی در حدود چهار هزار کیلو متر بر ساعت در جهتهای مختلف حرکت می‌کنند. از آن جا که این اتمها و مولکولها با سرعت بسیار زیادی از حوزه دید ناپدید می‌شوند مطالعه آنها دشوار است. با کم کرئن دما می‌توان سرعت آنها را کاهش داد، اما مسأله این است که وقتی گاز را سرد می‌کنند معمولاً ابتدا گاز به مایع و سپس به جامد تبدیل می‌شود. از آن جا که تک اتمها و مولکولها در مایعات و اجسام جامد خیلی به هم نزدیک می‌شوند مطالعه آنها بسیار دشوارتر خواهد شد. اما اگر فرایند سرد کردن در خلأ انجام شود می‌توان چگالی را چندان کم نگاه داشت که از میعان و انجماد جلو گیری شود. با این وجود حتی در در دمای کمی چون 270- درجه سلسیوس باز هم سرعت اتمها و مولکولها حدود 400 کیلومتر بر ساعت است. فقط با نزدیک شدن به صفر مطلق (273- درجه سلسیوس) است که این سرعت به نحو چشم گیری افت می‌کند. وقتی دما با این (صفر مطلق) یک میلیونم درجه (یعنی یک میکرو کلوین) فاصله داشته باشد، مثلاً اتمهای هیدروژن آزاد با سرعتی کمتر از یک کیلو متر بر ساعت (برابر با 25 سانتیمتر بر ثانیه) حرکت می‌کنند.
استیون چو، کلود کوهن – تائوچی، و ویلیام دی فیلیپس روشهایی برای استفاده از نور لیزر برای سرد کردن گازها تا گستره دمایی میکرو کلوین و شناور نگاه داشتن اتم‌های سرد شده یا به دام افتاده در انواع مختلف تله‌های اتمی ابداع کردند. نور لیزر شبیه شاره چشبنده‌ای عمل می‌کند که آن را شیره اپتیکی می‌نامند، و در آن سرعت اتمها کم می‌شود. در این جا می‌توان تک تک اتمها را با دقت زیادی مطالعه و ساختار داخلی آنها را تعیین کرد. با گیر انداختن اتمهای هر چه بیشتری در خجمی معین، گازی رقیق تشکیل می‌شود و می‌توان خواص آن را به تفصیل بررسی کرد. روشهایی که این افراد ابداع کردند در افزایش دانش ما از بر هم کنش بین تابش و ماده تأثیر به سزایی دارشته است، و به خصوص راه را بر فهم عمیقتر رفتار کوانتومی گازها در دماهای کم گشوده است. این روشها ممکن است به طراحی ساعتهای اتمی دقیقتر، که مثلاً در تحقیقات فضایی و تعیین دقیق موضع به کار خواهند رفت، منجر شوند. گامهای اولیه در طراحی تداخل سنجهای اتمی‌ای که با آنها مثلاً اندازه گیریهای خیلی دقیق نیروهای گرانشی را می‌توان انجام داد، و لیزرهای اتمی که می‌توانند در آینده برای ساخت قطعات الکترونیکی بسیار ریز به کار گرفته شوند برداشته شده است.

فوتون اتمها را کند می‌کند

نور را می‌توان جریانی از ذرات، یعنی فوتونها، در نظر گرفت. فوتون به معنتی معمول جرم ندارد، اما درست مثل سنگ صافی که روی یخ می‌لغزد مقداری تکانه دارد. سنگ صافی که با شنگی مانند خودش برخورد کند می‌تواند تمام تکانه‌اش را به سنگ اخیر منتقل کند و خودش ساکن شود. به همین ترتیب فوتونی که با یک اتم برخورد کند تمام تکانه خود را به آن اتم انتقال خواهد داد. برای این که این اتفاق بیفتد فوتون باید انرژی معینی داشته باشد. به بیان دیگر، نور باید بسامد یا رنگ معینی داشته باشد زیرا انرژی فوتون با بسامد نور متناسب است که به نوبه خود رنگ نور را تعیین می‌کند. به این ترتیب، نور قرمز از فوتونهایی با انرژی کمتر از انرژی فوتونهای نور آبی تشکیل می‌شود.
چیزی که انرژی مناسب فوتونها را تعیین می‌کند که بتوانند بر اتمها اثر کنند عبارت است از ساختار درونی (ترازهای انرژی) اتمها. اگر اتمی حرکت کند این انرژی مناسب هم به علت اثر دوپلر تغییر می‌کند. اثر دوپلر همان اثری است که باعث می‌شود سوت قطار به هنگام نزدیک شدن نسبت به حالت سکون ارتفاع بیشتری داشته باشد. اگر اتم به طرف نور برود و قرار باشد بسامد آن را "بشنود"، بسامد نور باید کمتر از بسامد لازم برای یک اتم ساکن باشد. فرض کنید این اتم در جهت مخالف نور و با سرعتی چشم گیر در حال حرکت باشد و جریانی از فوتونها به آن برخورد کند. اگر این فوتونها انرژی مناسبی داشته باشند این اتم می‌تواند یکی از آنها را جذب کند و انرژی و تکانه‌اش را بگیرد. در این صورت اتم کند می‌شود. پس از زمان بسیار کوتاهی، معمولاً در حدود صد میلیونم ثانیه، اتم کند شونده فوتونی گسیل می‌کند. فوتون گسیلیده یک تکانه هم دارد که به اتم سرعت پس زنی اندکی می‌دهد. اما جهت پس زنی به صورت کاتوره‌ای تغییر می‎کند به طوری که بعد از تعداد زیادی جذب و گسیل، سرعت اتم به مقدار چشم گیری کاهش یافته است. برای کند کردن حرکت اتم به باریکه لیزر شدیدی نیاز داریم. تحت شرایط مناسب می‌توان به اثر کند کننده‌ای رسید که شبیه آن است که توپی از سطح سیاره‌ای با گرانشی معادل صد هزار برابر گرانش زمین به طرف بالا پرتاب شود.

سرد شدنِ دوپلری و شیره اپتیکی

اثر کند کننده‌ای که در بالا تشریح شد اساس روش قدرتمند سرد کردن اتمها با نور لیزر را تشکیل می‌دهد. این روش را در حدود سال 1985 استیون چو و همکارانش در آزمایشگاههای بل در هولمدل، نیو جرسی، ابداع کردند. آنان از شش باریکه لیزر در هر یک از سه راستای عمود بر هم دو باریکه در جهت مخالف هم استفاده کردند. اتمهای سدیم گسیلیده از یک باریکه اتمی در خلأ ابتدا به وسیله یک باریکه لیزر در خلاف جهت باریکه اول متوقف می‌شد و سپس به تقاطع شش باریکه لیزر سرد کننده هدایت می‌شد. نور هر شش باریکه لیزر در مقایسه با نور مشخصه‌ای که اتم سدیم ساکن جذب می‌کند اندکی به سرخ گراییده است. اثر به این ترتیب بود که اتمهای سدیم به هر جهتی حرکت می‌کردند و به فوتونهای با انرژی مناسب برخورد می‌کردند و به ناحیه‌ای برگشت داده می‌شدند که این شش باریکه لیزر یک دیگر را قطع می‌کردند. در آن نقطه چیزی تشکیل می‌شد که با چشم غیر مسلح مانند ابری درخشان به اندازه یک نخود سبز به نظر می‌آمد، حدود یک میلیون اتم سرد شده. و این نوع سرد کردن را سرمایش دوپلری می‌نامند.
در تقلطع باریکه‌های لیزر، مثل این است که اتمها درون شاره چسبنده‌ای حرکت می‌کنند؛ این را شیره اپتیکی می‌نامند. برای محاسبه دمای اتمهای سرد شده در شیره اپتیکی، لیزرها را قطع کردند. نتیجه این شد که این دما حدود 240 میکرو کلوین است. این دما با مقدار 30 سانتیمتر بر ثانیه برای سرعت اتم سدیم متناظر است، و با دمایی که به صورت نظری محاسبه شده بود – یعنی حد دوپلر – منطبق است؛ آن موقع تصور می‌شد که کمترین دمایی که با سرمایش دوپلری می‌توان به آن دست یافت همین دماست.
در آزمایشی که در بالا توصیف شد اتمها سرد می‌شوند اما به دام نمی‌افتند. گرانش سبب می‌شود که این اتمکها ظرف حدود یک ثانیه از شیره اپتیکی بیرون افتند. برای به دام انداختن واقعی اتمها یک تله لازم است، و تله‌ای بسیار مؤثر و کار آمد در سال 1987 ساخته شد. این تله را تله مغناطو اپتیکی (MOT) می‌نامند. در این تله شش باریکه لیزر، در آرایه‌ای از همان نوع که در آزمایش یالا تشریح شد به کار می‌برند. اما دو پیچه مغناطیسی اضافی هم وجود دارد که یک میدان مغناطیسی با تغییرات فضایی کم تولید می‌کند. کمینه این میدان در محل تقاطع باریکه‌هاست. از آن جا که میدان مغناطیسی ترازهای انرژی اتم را تغییر می‌دهد (اثر زیمان)، نیرویی ایجاد می‌شود که از نیروی گرانش بزرگتر است و بنا بر این اتمها .را به وسط تله می‌راند. در این حال اتمها واقعا به دام افتاده‌اند و می‌توان آنها را مطالعه کرد یا برای انجام آزمایش به کار گرفت.