拉曼冷却

✍ dations ◷ 2025-04-03 10:37:13 #原子物理学,制冷技术

拉曼冷却(英语:Raman cooling)是原子物理学中一种激光冷却手段,它可以将原子冷却到低于多普勒冷却极限的温度。由于光子带给原子的反冲动能,多普勒冷却只能将原子冷却到几百微开量级,如Rb原子的多普勒温度为140微开。 拉曼冷却可以在单独的光学粘团或在叠加了光晶格的光学粘团中进行,分别称为自由空间拉曼冷却和拉曼边带冷却。两种技术都利用了原子对激光的拉曼散射 。

原子的两个超精细能级之间的跃迁可以由两束不同波长的激光触发:一束光把原子激发到虚能级激发态(比如激光的频率比真实的跃迁频率低),第二束光使原子退激发到另一个超精细能级。而这两束光的频率差正好是两个超精细能级的能级差。

这个过程的图示如上。双光子拉曼过程在两个超精细能级 | g 1 {\displaystyle |g_{1}\rangle } | g 2 {\displaystyle |g_{2}\rangle } 之间发生,中间能级,也就是虚能级在图中用虚线表示,虚能级较之真实激发态能级 | e {\displaystyle |e\rangle } 有一个红失谐。两束激光的频率差 f 2 f 1 {\displaystyle f_{2}-f_{1}} 正好与 | g 1 {\displaystyle |g_{1}\rangle } | g 2 {\displaystyle |g_{2}\rangle } 的能量差匹配。

在自由空间拉曼冷却的实验配置中,需要向预先被冷却到几十微开尔文的原子团打一系列激光脉冲,使它们经历类似上节所述的拉曼双光子过程。空间位置上两束激光相对着打向原子团。除了 f 2 {\displaystyle f_{2}} 现在要调成略微红失谐外(失谐为 Δ {\displaystyle \Delta } ),两束激光频率配置与上节完全相同。这样配置后,由于多普勒频移,向着激光2的源运动得足够快的原子可以正好和激光共振,被激发到 | g 2 {\displaystyle |g_{2}\rangle } 态,并且由于吸收了一个光子,动量守恒使得此原子速度减小。

如果将两束激光的传播方向对换,那么向另一个方向飞行的原子会被激发,然后速度减小。所以通过规律地改变激光的传播方向,以及调节失谐 Δ {\displaystyle \Delta } ,就可以设法使得所有初速度满足 | v | > v m a x {\displaystyle |v|>v_{max}} 的原子处在 | g 2 {\displaystyle |g_{2}\rangle } 态,同时所有速度满足 | v | < v m a x {\displaystyle |v|<v_{max}} 的原子仍旧处于 | g 1 {\displaystyle |g_{1}\rangle } 态。这时打开一束新的光,频率调节至恰好能激发 | g 2 {\displaystyle |g_{2}\rangle } 态到 | e {\displaystyle |e\rangle } 态的跃迁,这束光通过称为光抽运的过程将原先处在 | g 2 {\displaystyle |g_{2}\rangle } 态抽运到 | g 1 {\displaystyle |g_{1}\rangle } 态,由于自发辐射的随机性,末态时原子的速度变化是随机的,这样就有一部分原子最终的速度会小于 v m a x {\displaystyle v_{max}} ,达到冷却的目的。

多次重复这个过程(原论文中重复了8次,详情见参考文献),原子团的温度可以达到低于1μK的水平。

这种冷却机制针对的是已被磁光阱束缚的原子。首先启用一个光晶格,将相当一部分原子束缚在光晶格中。如果光晶格的激光足够强,它的每个格点就可以近似看作一个谐振子势阱。一般而言,原子并不处在谐振子的运动基态,而是处于某个激发态。拉曼边带冷却的目的就是将每个格点上的原子冷却到运动基态。

我们考虑一个二能级的原子,它的基态的量子数为 F = 1 {\displaystyle F=1} ,对应磁量子数为三重简并的 m = 1 , 0 , 1 {\displaystyle m=-1,0,1} 。由于塞曼效应,加上磁场后原子基态的三重简并被消除了。塞曼能级劈裂与外加磁场强度成正比,因此调节磁场强度,使塞曼能级劈裂与谐振子能级差恰好相等。

通过拉曼双光子过程,一个原子可以跃迁到磁量子数与振动能级都减小1的态(如图中红线所示)。这之后,处在运动基态但磁量子数 m 1 {\displaystyle m\neq 1} 的原子会被光抽运到 m = 1 {\displaystyle m=1} 的态( σ + {\displaystyle \sigma _{+}} 光与 π {\displaystyle \pi } 光的作用)。因为原子的温度和泵浦光频率相比足够低,所以原子有极大可能不会在光抽运过程中改变它的振动能级。这样,最终原子被制备到振动能级更低的态,也即原子被进一步冷却了。

为了在重复上述步骤时能始终保持高效,需要小心地调节激光的参数,也就是激光的功率与打激光的时机。总体而言,对应不同的振动态有不同的参数,因为振动能级由原子与激光的耦合强度(拉比频率)决定。跃迁时光子的反冲也是一个困难之处,但这个困难可以通过兰姆迪克机制避免。这个机制说,如果光晶格的激光强度非常强,势阱中的原子就几乎不会因为自发辐射放出光子而改变其动量。穆斯堡尔效应中也有类似情况。

这种冷却机制可以只用光学手段将相当高密度的原子冷却到一个很低的温度。最近的实验表明甚至可以使用拉曼边带冷却来获得玻色爱因斯坦凝聚。比如,这个获得铯原子的玻色爱因斯坦凝聚的实验就将拉曼边带冷却作为它的第一步。

相关

  • 方 成方成(1938年-),江苏江阴人,中国天文学家,南京大学教授,中国科学院院士。1959年本科毕业于南京大学,现任南京大学天文学系教授、日本国立天文台、法国巴黎天文台客座教授。曾任南京大
  • 延迟存储电子自动计算器电子延迟存储自动计算器(英文:Electronic Delay Storage Auto-matic Calculator、EDSAC)是英国的早期计算机。1946年,英国剑桥大学数学实验室的莫里斯·威尔克斯教授和他的团队
  • 解析数论解析数论(analytic number theory),为数论中的分支,它使用由数学分析中发展出的方法,作为工具,来解决数论中的问题。它首次出现在数学家狄利克雷在1837年导入狄利克雷L函数,来证明
  • 大埔县大埔县位于中国广东省梅州市东部,其北边和东边与福建省龙岩市永定区、漳州市平和县相邻,南边接壤丰顺县和潮州市饶平县,西边与梅县区、梅江区相邻,地处无污染的山区,以其优美的自
  • 钨酸钨酸,是三氧化钨(WO3)各种水合物形态的总称。其最简单的形态是一水合物,化学式为H2WO4·H2O,另一个常见形态是二水合物,H2WO4·2H2O。黄色粉末。加热至100°C时失去一分子水而转变
  • 截弯取直 (水文)截弯取直,一称作裁弯取直,是一种河道治理的方法,透过把弯曲的河道拉直,使河水流动速度加快,从而借助河水加速带动水中及水底的沉积物,减少沉积物在河曲地段沉积,有助防治洪水泛滥。
  • 1985年7月逝世人物列表1985年7月逝世人物列表,是用于汇总1985年7月期间逝世人物的列表。
  • 安庆名惠子安庆名惠子(英语:Christine Keiko Agena,日语:ケイコ・アジェナ,1973年10月3日-),美国琉球裔女演员。安庆名生于美国夏威夷檀香山,从十岁开始成为演员。她在电视剧《奇异果女孩》(Gilm
  • 李标 (明朝)李标(?-1633年),字汝立、号建露、建霞,京师真定府高邑县(今河北省高邑县)人,明朝内阁首辅。万历三十五年(1607年)登进士,改庶吉士,授翰林院检讨。万历三十八年(1610年)升任编修。泰昌年间,累
  • 宫少华宫少华(1961年-),中学正高级教师,“河南省特级教师”,2009年全国优秀教育工作者,曾任许昌高级中学校长。1975年至1979年,在许昌高中上初中和高中。1979年9月至1983年7月在河南大学历