مترجم: فرید احسانلو
منبع:راسخون
منبع:راسخون
اتم‌ها و مولکول‌های یک گاز مانند هوا در حال حرکت دائمند و سرعت آن‌ها نزدیک به سرعت صوت است. آن‌ها با اتم‌ها و مولکول‌های دیگر دائماً برخورد می‌کنند و سرعت‌شان و نیز سایر خواص اساسی‌شان تغییر می‌کند. این مجموعة درهم‌وبرهم برای آزمایش‌های فوق‌العاده دقیق غالباً نامناسب است.
برای رفع این مشکلات، پژوهشگران غالباً باریکه‌های اتمی ایجاد می‌کنند، یعنی جریانی از اتم‌ها که تماماً در یک جهت در خلأ حرکت می‌کنند. گرچه این یک پیشرفت قابل‌توجه نسبت به گاز محسوب می‌شود، اما اتم‌های باریکه هنوز بسیار سریع حرکت می‌کنند و گسترة سرعت آن‌ها بسیار بزرگ است. این حرکت گرمایی (حرکت اتم‌ها نسبت به یکدیگر) غالباً مانعی جدی برای انجام آزمایش‌های دقیق روی اتم‌ها محسوب می‌شود. برای مثال، بسامد نور گسیل شده توسط یک اتم متحرک انتقال دوپلر پیدا می‌کند و این بسیار شبیه است به انتقال بسامد سوت یک قطار وقتی که از مقابل شنونده عبور می‌کند. به علاوه، اتم‌های متحرک را فقط می‌توان برای یک مدت کوتاه مشاهده کرد، که این هم دقت اندازه‌گیری‌های انجام شده روی آن‌ها را محدود می‌کند.
تکمیل لیزرهای پرتوان و قابل تنظیم امکان اعمال نیروهای بسیار شدید را روی اتم‌ها فراهم آورده است. اگر انرژی فوتون‌های باریکة لیزر دقیقاً منطبق بر فاصلة ترازهای انرژی در اتم‌ها باشد، تشدید حاصل منجر به یک نیروی فشار تابشی بزرگ می‌شود. این نیرو برای اتم‌های سدیم می‌تواند صدهزار بار بزرگ‌تر از نیروی گرانش باشد. هِنش و شاولوو نشان دادند که چگونه فشار تابشی می‌تواند برای «سرد کردن» یا کاهش حرکت گرمایی اتم‌ها به کار رود. در سال 1978 یک گروه در ادارة ملی استانداردها در کلرادو و در دانشگاه هایدلبرگ در آلمان غربی از این ایده برای سرد کردن یون‌های ذخیره شده در یک دام استفاده کردند (1978). گرچه سایر پژوهشگران کوشیدند تا اتم‌های باریکه را کند کنند، اما این امر مشکل‌تر از سرد کردن یون‌های به دام افتاده از کار درآمد. این اشکال عمدتاً ناشی از فرصت زمانی کوتاه (میکرو ثانیه) برای سرد کردن باریکه قبل از رسیدن به اتاقک خلأ انتهای آزمایشگاه در مقایسه با زمان ذخیره برای یون‌های به دام افتاده (چند روز) بود. این بدان معنی است که سرد کردن باید بسیار مؤثر باشد. یک عامل مهم عدم کارآیی از تغییر انتقال دوپلر ناشی می‌شود ـ بسامد لیزر در نتیجه انرژی فوتون برای اتم‌های کند شونده متغیر به نظر می‌رسد. از آن‌جا که بیشینة فشار نور فقط وقتی اعمال می‌شود که اتم و فوتون‌ها با هم جور شوند، نیرو برای کند کردن محسوس اتم‌ها کفایت نمی‌کند مگر آن‌که بتوانیم این انتقال متغیر دوپلر را جبران کنیم.
یک گروه در مؤسسة طیف‌نمایی در مسکو سرد کردن توسط لیزر را آزمایش کردند، اما کند شدن به علت انتقال متغیر دوپلر بسیار اندک بود (آندریف).
گروهی در ادارة ملی استانداردها در میرلند موفق شده‌اند سرعت اتم را با جبران انتقال متغیر دوپلر به هنگام کند شدن اتم‌ها به مقدار قابل توجهی کاهش دهند. در این آزمایش یک باریکة پر قدرت لیزر درست در خلاف جهت حرکت اتم‌ها هدایت شده است، و از این رو اتم‌ها توسط فشار تابشی کند شده‌اند (پرودان). برای جبران انتقال متغیر دوپلر، گروه ادارة ملی استانداردها از یک میدان مغناطیسی متغیر فضایی، که ترازهای انرژی را جابه‌جا می‌کرد استفاده کردند. در روش دیگری که توسط این گروه برای جبران انتقال متغیر دوپلر به کار گرفته شد به جای جا به جا کردن ترازهای انرژی اتم‌ها از تغییر بسامد لیزر استفاده می‌شود. هر دو روش به طور محسوسی باریکة اتمی را سرد می‌کنند.
با استفاده از فن میدان متغیر مغناطیسی، اتم‌ها در فاصله‌ای کم‌تر از یک متر تقریباً به حال سکون درآمدند (4% از سرعت اولیة آن‌ها). نه‌تنها اتم‌ها کند شدند، بلکه سرعت آن‌ها به یک مقدار رسید. توزیع سرعت‌ها در باریکة سرد شده مانند توزیع سرعت‌ها در یک گاز است که دمای آن کم‌تر از یک دهم درجة مطلق باشد. اگر یک گاز معمولی تا این حد سرد شود، به صورت مایع یا جامد درمی‌آید. بنابراین، باریکة اتمی سرد شده یک ابزار منحصربه‌فرد برای مطالعة اتم‌های آزاد است.
یک کاربرد ممکن این روش جدید باریکة اتمی، طیف‌نمایی تفکیک فوق‌العاده زیاد است، یعنی اندازه‌گیری بسیار دقیق ترازهای انرژی اتم‌ها. حرکت اتم‌ها بهترین اندازه‌گیری از این دست را فعلاً محدود می‌کند (سالومون). کاربردهای دیگر عبارتند از: مطالعات ماهیت آماری برهم‌کنش نور با ماده (کوک)، و هم‌چنین مطالعات برخوردهای اتمی تحت شرایط بسیار مهار شده. یک کاربرد بسیار جالب، امکان انتقال اتم‌ها با انرژی بسیار کم به منظور به دام انداختن آن‌ها در میدان‌های الکترومغناطیسی است. این دام‌ها را مدت‌ها قبل مطرح کرده بودند اما هیچ‌گاه به طور موفقیت‌آمیز به کار گرفته نشدند چرا که تا کنون هیچ اتمی با انرژی به اندازة کافی کم که بتواند در دام بماند، در دست نبوده است.
