最先端の物理学

光トラップとレーザー冷却

光子散乱によるドップラー冷却と、強度勾配による双極子ポテンシャルで原子を捕獲します。

光子散乱によるドップラー冷却と、強度勾配による双極子ポテンシャルで原子を捕獲します。

モデルと解釈

ドップラー冷却では赤方離調ビームが、対向運動する原子から見ると共鳴に近づきます。自発放出の反跳は平均ゼロとなり、平均的な制動力が残ります。双極子トラップはACシュタルクシフトU(r)=−α⟨E²⟩/2を使い、赤方離調で基底状態原子を強度の高い領域へ引き寄せます。

クイックチェック

共鳴周波数 $\omega_0$ の二準位遷移に対し、$\Delta=\omega_L-\omega_0<0$ の赤方離調ビームは、向かってくる原子から見ると共鳴に近づき、散乱を増やします。各光子は速度と逆向きに $\hbar k$ の運動量を与えます。一方向のドップラー限界は $T_D=\hbar\Gamma/(2k_B)$ ですが、それ以下にはシシュフォス冷却やトラップ内蒸発冷却などが必要です。

ドップラー冷却と光トラップは異なる役割を持ちます。繰り返し散乱は運動エネルギーを除き、強度依存の双極子ポテンシャルは散乱を抑えながら原子を閉じ込めます。共鳴から遠い場合、ポテンシャルは概ね $U\propto I/\Delta$ に比例し、散乱は離調とともに急減します。閉じ込め、光子反跳加熱、衝突の釣り合いが低温気体やボース・アインシュタイン凝縮の実現を左右します。

磁気光学トラップでは冷却原子を閉じ込め、弾性衝突でエネルギーを再分配します。選択的蒸発で最も熱い原子を除き、残りを再熱化させると温度が下がります。位相空間密度 $n\lambda_{dB}^3$ が1程度に近づくと量子統計が重要になり、ボース・アインシュタイン凝縮が形成され得ます。