دام اندازی لیزری اتمها

شکستن حد دوپلر

ویلیام دی فیلیپس و همکارانش قبلاً، در آغاز سالهای 1980، میدانهای مغناطیسی را در روشی برای کند کردن و توقف کامل اتمها در باریکه‌های اتمی کند به کار گرفته بودند. فیلیپس چیزی را به وجود آورد که کند کننده ریمان نامیده می‌شود. این ابزار پیچه‌ای با یک میدان مغناطیسی متغیر است که در راستای محور آن می‌توان اتمها .را به وسیله یک باریکه لیزر در جهت مخالف کند کرد. فیلیپس با دستگاه خود اتمهای سدیم را با یک تله خالص مغناطیسی متوقف کرده و به دام انداخت. اما این تله نسبتاً ضعیف است و به همین علت اتمهای درون آن باید فوق العاده سرد شوند تا در تله باقی بمانند. زمانی که استیون چو موفق شد اتمها را در شیره‌ای اپتیکی سرد کند فیلیپس آزمایش مشابهی طرح کرد و مطالعه سیستماتیک دمای اتمهای شیره را آغاز کرد. وی چندین روش جدید اندازه گیری دما ابداع کرد، از آن جمله روشی که در آن می‌گذارند اتمها تحت تأثیر نیروی گرانش سقوط کنند و منحنی سقوط آنها به کمک یک لیزرِ اندازه گیر، تعیین می‌شود.
فیلیپس دریافت که دمایی تا حد 40 میکرو کلوین قابل دسترسی است. این مقدار شش بار کمتر از حد دوپلر بود، که به طور نظری محاسبه شده بود. معلوم شد که حد دوپلر برای اتم مدلِ ساده شده‌ای محاسبه شده بود، که قبلاً به اندازه کافی واقعی تلقی می‌شد. اما کلود کوهن – تانوجی و همکارانش در اِکل نرمال سوپریورِ پاریس، قبلاً طرحهای سرمایش پیچیده‌تری را به طور نظری مطالعه کرده بودند. توضیح نتیجه فیلیپس بر پایه ساختار پایینترین ترازهای انرژی اتم سدیم استوار است. آن چه رخ می‌دهد .را می‌توان به غلتاندنِ ابدی سنگ به وسیله سیریفوس تشبیه کرد: سیزیفوس سنگی را از تپه‌ای بالا می‌برد و در بالای تپه در می‌یابد که شیب بعدی هم سربالایی است. به خاطر این تشابه، این فرایند سرمایش را سرمایش سیزیفوسی نامیده‌اند.
سرعت پس زنی که اتم با گسیل یک تک فوتون به دست می‌آورد متناظر با دمایی است که آن را حد پس زنی می‌نامند. حد پس زنی در مورد اتمهای سدیم 4ر2 میکرو کلوین، و برای اتمهای سنگینتر سزیم 2ر0 میکرو کلوین است. فیلیپس در همکاری با کوهن – تانوجی و همکاران پاریس‌اش نشان داد که اتمهای سزیم را می‌توان در شیره اپتیکی تا حدود ده برابر حد پس زنی یعنی تا حدود 2 میکرو کلوین سرد کرد. ابتدا به نظر می‌رسید که در شیره ملاس به طور کلی فقط به دماهایی در حدود ده برابر حد پس زنی می‌توان دست یافت. در گام بعد، هم فیلیپس و هم گروه پاریس نشان دادند که با آرایه‌های لیزری مناسب می‌توان اتمها را چنان به دام انداخت که در فواصل منظم از هم قرار گیرند، چیزی که شبکه اپتیکی نامیده می‌شود. فاصله اتمها در رشبکه به اندازه طول موج نور است. نشان داده شده است که اتمهای هر شبکه اپتیکی را می‌توان تا حدود پنج برابر حد پس زنی سرد کرد.

حد پس زنی هم نقض می‌شود

علت این که سرعت پس زنی اتم، حاصل از گسیل یک تک فوتون، حدی، هم برای سرمایش دوپلر و هم برای سرمایش سیزیفوس است، این است که کندترین اتمها همواره در حال جذب و گسیل فوتون‌اند. این فرایندها به اتم سرعتی کم، اما نه قابل اغماض، می‌دهد و از این رو دمای گاز مخالف صفر است. اگر بتوان شرایطی فراهم کرد که کندترین اتمها، فوتونهای درون شیره اپتیکی را نادیده بگیرند شاید بتوان به دماهای کمتری هم دست یافت. یکی از ساز و کارهایی که در آن اتم به حالت "تاریک" می‌رود، یعنی دیگر فوتون جذب نمی‌کند، شناخته شده بود، اما دشواری این کار، ترکیب این روش با سرمایش لیزری بود.
کلود کوهن – تانوجی و همکارانش روشی طرح کردند که بر پایه استفاده از اثر دوپلر قرار داشت و کندترین اتمها را به یک حالت تاریک می‌برد. او و همکارانش نشان دادند که این روش در یک، دو، و سه بعد کار می‌کند. در تمام آزمایشهای او از اتمهای هلیم استفاده می‌شد، که حد پس زنی برایشان 4 میکرو کلوین است. در نخستین آزمایش از دو باریکه لیزر متقابل استفاده شد و توزیع سرعت یک بعدی‌ای به دست آمد که با نصف دمای حد پس زنی متناظر بود. با کمک چهار باریکه لیزر یک توزیع سرعت دو بعدی به دست آمد که با دمای 25ر0 میکر کلوین، شانزده بار کمتر از حد پس زنی، متناظر بود. سر انجام با شش باریکه لیزر حالتی به دست آمد که در آن کل توزیع سرهت با دمای 18ر0 میکرو کلوین متناظر بود. تحت این شرایط اتمهای هلیم با سرعتی تنها در حدود 2 سانتیمتر بر ثانیه می‌خزیدند.

کار بردهای لحظه‌ای

پیش رفت در زمینه سرمایش لیزری و به دام اندازی اتمهای خنثی با سرعت ادامه دارد. از جمله چو یک فواره اتمی ساخت که در آن اتمهای سرد شده با لیزر از تله‌ای شبیه فواره‌های آب به بالا افشانده می‌شوند. وقتی این اتمها در بالاترین نقطه مسیرشان بر می‌گردند و سقوطشان دو باره آغاز می‌شود، تقریباً سکن هستند. این اتمها در این جا در معرض تپهای میکرو موج قرار می‌گیرند که ساختار درونی اتمها را احساس می‌کند. اعتقاد بر این است که به کمک این روش می‌توان ساعتهای اتمی‌ای ساخت که دقتشان صد برابر دقت ساعتهای اتمی کنونی است. روش سرمایش که برنده جایزه نوبل فیزیک شد ضمناً اساسی برای کشف چگالش بوز – اینشتین در گازهای اتمی بوده است، پدیده‌ای که توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده است.