האם הגדלת הדיוק של לייזר יכולה להביא לקירור יותר עמוק של אטום בודד? יוסף

מגבלות הקירור בעזרת לייזר אינן נובעות מדיוק הלייזר אלא ממהות השיטה של קירור בלייזר. לפיכך לא ניתן לשפר את הקירור בעזרת שיפור הדיוק של תדר הלייזר, עוצמתו, יציבותו או כל תכונה אחרת. כמובן אתה צודק שעבור אטום בודד אין משמעות לשלב האידוי. המשמעות המפתיעה היא שניתן לקרר הרבה אטומים לטמפרטורה יותר קרובה לאפס המוחלט מאטום בודד. אסכם בקצרה את עיקרי השיטה של קירור בעזרת לייזר הנקראת גם קירור דופלר.

לכל אטום יש את ספקטרום הבליעה הייחודי שלו. ספקטרום זה הינו אוסף התדרים של האור, אשר האטום בולע ועל ידי כך עובר למצב מעורר (מצב אנרגטי גבוה יותר). בשל אפקט דופלר ספקטרום הבליעה של אטום בתנועה ביחס ללייזר שונה מזה של אטום במנוחה. ניתן לבחור בלייזר בעל תדר (צבע) המוסט במעט לכיוון הצבע האדום, כלומר תדר נמוך יותר (אור פחות אנרגיטי) מתדר הבליעה המכסימלית של אטום במנוחה. בגלל אפקט דופלר לאור מלייזר כזה יש סיכוי גבוה יותר להיבלע על ידי אטומים הנעים כלפיו (אשר "רואים" תדר גבוהה יותר ולפיכך קרוב יותר לתדר הבליעה) מאשר אטומים הנעים בכל כיוון אחר. על פי חוק שימור התנע, בזמן בליעה של פוטון (יחידת אנרגיה של אור) התנע של אטום מופחת בתנע של הפוטון. לאחר מכן האטום יפלוט את האור באופן ספונטאני לכל הכיוונים ולכן בממוצע התנע שלו לא ישתנה מהפליטה (כי הרתע הינו לכל הכיוונים) אך כן מהבליעה. כל עוד התנע של האטום גדול מחצי התנע של הפוטון בליעה של פוטון תאט אותו ולפיכך הטמפרטורה (מדד לגודל המהירות הממוצעת) תרד. אך כאשר התנע של האטום קטן מחצי התנע של הפוטון בליעה של פוטון תשנה את כיוון התקדמותו אך תאיץ את מהירותו ותעלה את הטמפרטורה. לכן קיימת מגבלה הכרחית לגבול הטמפרטורה הנמוכה הקשורה לתנע של הפוטונים של הלייזר. התנע של פוטון הנע בריק קשורה לתדר שלו על פי הנוסחא:

כאשר    הינו קבוע פלנק, Ω התדר הזוויתי של אור הלייזר ו 'c' היינו מהירות האור.

לסיכום קירור על ידי לייזר תלוי בבחירת תדר הלייזר ובעוצמתו של הלייזר (בעוצמות גבוהות מידיי האטומים המעוררים בעיקר פולטים פליטה מאולצת אשר אינה מקררת מכיוון שהיא תמיד לאותו כיוון). אין בעיה של דיוק בתדר המוסט לאדום, מכיוון שרוחב הטווח האפקטיבי של תדר הבליעה (absorption line-width) הינו גדול יותר מרוחב טווח התדרים בלזירה (laser band-width). לבסוף לאחר בחירת הלייזר הטוב ביותר עדיין אין באפשרותנו לקרר הרבה מעבר למגבלת התנע של פוטון בודד (אנרגיה זאת נקראת אנרגיית הרתע recoil energy). ותנע זו נקבע על פי ספקטרום הבליעה של האטום אותו אנו מנסים לקרר, שיפור הדיוק של הלייזר ישפר את רמת הקירור באופן זניח לחלוטין יחסית למגבלת התנע של הפוטון.

תמונה נלקחה מויקיפדיה.

מאת: ערן גרינולד
המחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.