لیزر اتمی، مقدمه‌ای برای شروع کار

در این مقاله لیزر اتمی به زبانی ساده تعریف، و ویژگی های آن بررسی می شود. هم چنین لیزر اتمی با لیزر اپتیکی مقایسه می شود.
لیزر اتمی همین دوروبرهاست و چیزی نخواهد گذشت که هر کسی بخواهد یک لیزر اتمی داشته باشد. اگر شما فیزیکدان محله باشید، شاید همسایه تان دربارة خریدن بهترین مدل با شما مشورت کند. حتی ممکن است همسایه تان بپرسد لیزر اتمی چیست. اگر مقالاتت را دنبال نکرده اید، ممکن است این راهنما به دردتان بخورد.
اولین گام در توضیح لیزر اتمی تعریف کلمة لیزر است. در گذشته این پرسش موجب بیچارگی جماعت لیزری بود: چه مرکب هایی که مصرف نشد و چه دوستی هایی که از بین نرفت. امروزه اوضاع مسالمت آمیز است و اگر لیزر را صرفا وسیله ای تعریف کنید که نور لیزری می گسیلد کسی یقة شما را نخواهد چسبید . نور لیزری معمولا بسیار درخشان است، اساسا تک فام است و خیلی هم جهتمند است. بدبختانه این تعریف چندان به دردبخوری نیست زیرا نور جسمی بسیار داغ، که از یک صافی خوب و هم راستاگر گذرانده شود، هم خیلی درخشان است؛ هم اساسا تک فام است و هم خیلی جهتمند اما واقعا نور لیزر نیست. اگر هنوز هم کسی شک دارد که چگاله در حالت همدوس است، کرنل و یمن نشان داده اند همدوسی کوتاه برد مرتبة سوم هم وجود دارد. در چگالی های زیاد، چگاله می تواند از طریق برخورد سه جسمی وابپاشد. برای اینکه یک لیزر واقعی را از یک نمونة تقلبی ارزان قیمت تشخیص بدهید باید چنین کنید. اول باید پهنای فرکانسی طیف را بسنجید. بعد دریچة بازوبسته شونده ای درست کنید که تپ نور را برای مدت زمانی که از زمان هم بستگی بیش تر نباشد عبور بدهد و تعداد فوتون ها در هر تب را بشمارید. (تعداد فوتون ها در هر ثانیه برای شمارشگر زیاد است، می توانید نور را تضعیف کنید.) این کار را چندین بار تکرار کنید. اگر N اساسا ثابت ماند، احتمالاً با لیزری واقعی سروکار دارید. اگر N افت وخیزهای شدیدی داشت، لیزر شما قلابی است.
اساس درک خود از نور لیزری را مدیون روی جی گلاوبر هستیم که، اندکی پس از اختراع لیزر، نظریة کوانتومی میدان لیزری را بارآورد. هم او بود که نام رسمی حالت کوانتومی میدان لیزر را ابداع کرد: حالت همدوس، گرچه گاهی بعضی به طور غیر رسمی آن را حالت گلاؤبر می نامند. میدانی که در حالت همدوس باشد، تا آنجا که مکانیک کوانتومی اجازه می دهد کلاسیک است. مثلا افت و خیزهای دامنه و فاز، تا حد امکان کوچک است. همچنین گلاؤبر نشان داد که ماهیت نور لیزر ناشی از خواص آماری آن است. این خواص را می توان با سلسله مراتب همدوسی هایی مشخص کرد که تعیین می کنند در آشکار کردن فوتون ها، احتمال مشاهدة همزمان دو فوتون، سه فوتون و غیره ... چقدر است.
اگر لیزر را به وسیلة نوری که می گسیلد تعریف کنیم، نتیجه می گیریم که لیزر یک چشمة تابش حالت همدوس است. این تعریف، نقص کوچکی دارد: در همة گستره های طول موج، از پرتو ایکس تا میکروموج، لیزر داریم (درگسترة میکروموج، آن ها را میزر می-نامند). واضح است که طول موج اهمیت اساسی ندارد. اما در گسترة میکروموج، انواع و اقسام وسایلی چون کلایسترون و مگنترون هم می توانند تابش همدوس تولید کنند. در واقع همة نوسانگرها می توانند تابش همدوس تولید کنند. هیچکس هم خوابش را نمی-بیند که این جور وسایل را لیزر بخواند. بنابراین تعریف ما صددرصد قابل اعتماد نیست. اما این نقصان را نادیده می گیریم چون کسی که فرق لیزر و نوسانگر را نداند نباید به همسایه هایش مشاورة علمی بدهد.
با این درک از معنی لیزر، تعریف لیزر اتمی مثل آب خوردن است: لیزر اتمی چشمة اتم در حالت همدوس است.
با تولید چگالة بوز ـ اینشتین گاز اتمی، ساخت لیزر اتمی امکانپذیر شده است. مراسم افتتاحیة این نوع لیزر وقتی بود که ولفگانگ کترله در ام آی تی تداخل بین اتم های دو چگالة بوزة جدا را مشاهده کرد. خروج اتم ها از چگاله به وسیلة یک فن تشدید مغناطیسی ممکن می شد. به این ترتیب اتم ها می توانستند به آهستگی از سد پتانسیل تلة مغناطیسی که آن ها را محبوس کرده بود فرار کنند. در ابرهای هم پوشیدة اتم های دو چشمة جدا، به وضوح فریزرهای تداخلی مشاهده شد. دورة تناوب، نصف طول موج دوبروی بود، چون در اینجا هم، همانند نور، شدت در هر چرخه دوبار بیشینه می شود. ممکن است گفته شود که تابش گرمایی می تواند تداخلی ایجاد کند اما به شرطی که نور از یک چشمه باشد. ولی دو چشمة گرمایی عملا تداخل نمی کنند. اما دو نور لیزر و همان طور که کترله کشف کرد، اتم های دو چگالة بوزه می توانند تداخل کنند.
برای این که دید بهتری پیدا کنیم باید بگوییم اهمیت واقعی فریزهای تداخلی تایید این نکته است که چگالة بوزه نظم بلند برد دارد. این می تواند به این معنی باشد که اتم های چگاله، گاز اتمی ابرشاره تشکیل داده اند. گاز ابرشاره برای فیزیک چیز جدیدی است. لیزر اتمی اساساً یک محصول جنبی این کشف است.
تداخل نشان می دهد بین اتم هایی که از قسمت های مختلف یک چگاله می آیند، اختلاف فاز خوش تعریفی وجود دارد، که تعریف معمول همدوسی (یا به طور دقیق تر همدوسی از مرتبة اول) است. علاوه بر این، اکنون شواهدی قوی برای همدوسی مرتبة دوم و سوم هم وجود دارد.
فرق بنیادی بین حالت گرمایی و حالت همدوس این است که در حالت گرمایی افت و خیزهای چگالی بزرگ است، در حالی که در حالت همدوس، عملاً چنین افت و خیزهایی وجود ندارد. در حالت گرمایی، مشاهدة N ذره در یک آن (یعنی مدت زمانی که نسبت به زمان همبستگی کوتاه باشد) متناسب با تابعی نمایی با نمای منفی است، چنین توزیع احتمالی تا آنجا که می شود باز است. در مقابل، در حالت همدوس احتمال مشاهدة N ذره حول میانگین بیشینة تیزی دارد و به ازای Nهای بزرگ، پهنای نسبی توزیع احتمال اساساً چشم پوشیدنی است.
همدوسی مرتبة دوم معرف احتمال دیدن همزمان (با فاصلة زمانی و مکانی مشخص) دو ذره است. چنین فرآیندی به میانگین n2 بستگی دارد. چگالی n همان خصوصیات آماری N را دارد. اگر چگالی میانگین، عدد بزرگی باشد، در حالت همدوس ولی در حالت گرمایی نشانة میانگین گیری روی فضاست. در نتیجه برای گازی با n مشخص، سرعت فرآیند مرتبة دوم در حالت گرمایی دو برابر حالت همدوس است.
هر فرآیند اتمی را که به با هم بودن دو اتم وابسته باشد، به عبارت دیگر به n2 بستگی داشته باشد، دست کم از لحاظ نظری می-توان برای سنجش همدوسی مرتبة دوم به کار برد. در چگالة بوزه بخشی از انرژی سیستم از نیروی دافعة کوتاه برد بین اتم ها ناشی می شود. انرژی برهم کنش یک تک اتم به n بستگی دارد. بنابراین انرژی سیستم به n2 بستگی خواهد داشت. اگر تله را ناگهان خاموش کنیم، اتم ها از هم می گریزند و انرژی جنبشی نهایی به انرژی برهم کنش اولیه بستگی خواهد داشت. با سنجش این انرژی و سنجش n می توان n2 را با (n)2 مقایسه کرد. برای استفاده از این روش لازم است شدت برهم کنش را بدانیم. خوشبختانه در انرژی چگالة بوزه شدت برهم کنش فقط به یک پارامتر بستگی دارد: طول پراکندگی. طول پراکندگی سدیم و روبیدیم را از طریق نظریه و از طریق بررسی های طیف نمایی دمای کم و برخورد می دانیم.
در آزمایشی که اریک کرنل و کارل و یمن در ژیلا بر چگالة بوزه ـ اینشتین روبیدیم انجام دادند، در نتیجه ای که به دست آمد پیش-ضریب ها آشکارا به یک نزدیک ترند تا دو، این نتایج شواهدی قوی برای وجود همدوسی مرتبة دومند. به طور دقیق تر این نتایج وجود همدوسی مرتبة دوم کوتاه برد را تایید می کنند. (ضریب2 برای گاز گرمایی با سنجش هم بستگی زمان های رسیدن اتم های بس سرد، مشاهده شده است. اگر بازة زمانی بین زمان رسیدن اتم ها از زمان هم بستگی سیستم بیشتر شود، این ضریب به یک افت می-کند.)
اگر هنوز هم کسی شک دارد که چگاله در حالت همدوس است، کرنل و یمن نشان داده اند همدوسی کوتاه برد مرتبة سوم هم وجود دارد. در چگالی های زیاد، چگاله می تواند از طریق برخورد سه جسمی وابپاشد. از راه این فرآیند است که در گاز اتمی مولکول به وجود می آید، که اولین گام در تبدیل گاز به جامد است. آهنگ برخورد سه جسمی به n3 بستگی دارد و به ازای nهای بزرگ نتیجه با ضریب شش توافق دارد، این ضریبی است که اگر چگالة بوزه در حالت همدوس باشد انتظار می رود و آشکارا با یک تفاوت دارد.
بنابراین شواهد متقاعد کننده ای در دست است که اتم های چگالة بوزه در حالت همدوس از آن می گریزند، که به این معنی است که کاملا مجازیم سیستم را لیزر اتمی بنامیم. اما عملکرد این سیستم آنقدر با لیزر معمولی متفاوت است که این نام گرچه از لحاظ فنی صحیح است، ممکن است کمی غریب به نظر آید. ولی تناظری نزدیک بین هر جزء دو دستگاه وجود دارد.
چشمة فوتون در لیزر اپتیکی، معمولا گاز یا سیستم دیگری از اتم هایی در حالت برانگیختة الکترونی است؛ در لیزر اتمی چشمة گازی است از اتم هایی در حالت های برانیختة گرمایی. در لیزر اپتیکی تابش اتم ها از طریق گسیل القایی در یک تک مد است. در لیزر اپتیکی تعداد فوتون های تک مد با گسیل القایی زیاد می شود؛ در لیزر اتمی تعداد اتم های تک مد با پراکندگی القایی زیاد می-شود. در لیزر اپتیکی جفتش فوتون ها با محیط خارج معمولاً به وسیلة انتقال از یکی از آینه هایی صورت می گیرد که مد کاواک را تعریف می کنند؛ در لیزر اتمی جفتش اتم ها با محیط خارج از طریق عبور از سد پتانسیلی است که تله را تعریف می کند. فرق عمدة بین دو وسیله این است که فوتون های لیزر اپتیکی معمولاً به صورت باریکة خوب هم راستا شده ای گسیل می شوند، در حالی که اتم-های لیزر اتمی در همة جهات می گریزند. اما این تفاوت، تفاوتی سطحی است. لیزر اپتیکی در مد مرتبة بالای کاواک عمل می کند در حالی که لیزر اتمی در حالت پایة کاواک (به عبارت دیگر تله) کار می کند. از این نظر لیزر اتمی به میزر نزدیکتر است تا لیزر، زیرا میزر تقریباً همیشه در حالت پایة کاواک میکروموجی کار می کند. اما چه کسی پیدا خواهد شد که بخواهد صاحب یک میزر اتمی باشد؟
اگر اتفاقاً همسایة شما بداند که لیزر ترکیب سرواژه های تقویت نور از طریق گسیل القایی تابش است، احتمالاً از شما خواهد پرسید که چطور می توان این لغت را برای وسیله ای که اتم می گسیلد به کار برد. آن وقت فرصتی دست خواهد داد که معلومات تاریخی خود را به نمایش بگذارید. در روزهای اولی که لیزر برای نخستین بار در حوزة فروسرخ به کار افتاد، پیشنهاد شد که این وسیله را ایریزر بخوانند. بعداً که به حوزة پرتوی x دست اندازی شد نام زیزر مطرح شد. خوش بختانه این عبارت ها از خاطرها محو شدند. به جایش می گوییم لیزر فروسرخ و لیزر پرتوی x . حالا هم لیزر اتمی داریم. اگر همسایه تان سرسختی کرد، توضیح بدهید که نام بهتر تقویت اتم حالت همدوس از طریق پراکندگی اتم ها یا کساسا است. کساسا هم راحت در دهان نمی چرخد، حداقل در دهان برخی راحت نمی چرخد.
یک چیز دیگر هم هست که باید برای همسایه تان توضیح بدهید. اتم فوتون نیست. اتم های لیزر اتمی راه زیادی در هوا نمی پیمایند. (در واقع لیزرهای اتمی فعلی به خلئی بسیار قوی نیاز دارند.)، چه برسد به اینکه از پنجره ای شیشه ای عبور کنند. اتم ها تحت گرانش سقوط می کنند و می توانند با هم برخورد کنند. در نتیجه کاربرد لیزر اتمی ظاهراً خیلی خاص است. اما اگر همسایة شما اهل تداخل سنجی اتمی، یا نانوفناوری جدی است، یا دلش لک زده که گاز ابرشاره را مطالعه کند. آن وقت لیزر اتمی ممکن است همان چیزی باشد که نیاز دارد.
از ولفگانگ کترله برای بحث هایی که اساس این مقاله است و از کارل ویمن برای اظهار نظرهای مفیدش سپاسگزاری می‌شود.
منبع مقاله : برگرفته از ساینس