Охлаждение методом боковой полосы

Файл:Resolved sideband cooling.jpg

Смещение атомных уровней en:File:Resolved_sideband_cooling.jpg

Охлаждение методом боковой полосы является методикой Лазерного охлаждения, которую можно использовать для охлаждения сильно удерживаемых атомов до нижнего квантового состояния их движения. Атомы, как правило, предварительно охлаждены с помощью доплеровского охлаждения. Затем, для охлаждения атомов за пределы лимита Доплеровского охлаждения используют охлаждение методом боковой полосы.

Холодные удерживаемые полями атомы можно рассматривать в хорошем приближении, как квантовомеханический гармонический осциллятор. Если скорость спонтанного распада значительно меньше, чем частота колебаний атомов в ловушке, то каждый внутренний уровень энергии молекулы расщепится на множество подуровней, образованных колебательными состояниями всей системы (фононные состояния).

Рассмотрим двухуровневую систему, у которой нижнее состояние обозначается как g (ground state), а возбуждённое состояние как e (excited state). Эффективное лазерное охлаждение происходит, когда частота лазерного луча настраивается на частоту красной боковой линии спектра, т.е.

$\omega = \omega_{0} - \nu$,

где $\omega_{0}$ является внутренней частотой атомного перехода, а $\nu$ является гармонической частотой колебаний атома. В этом случае атом претерпевает переход

$\vert g, n \rangle \rightarrow \vert e, n-1 \rangle$,

где $\vert a, m \rangle$ представляет состояние иона, у которого внутренним атомным состоянием является a, а фононным состоянием является m. Этот процесс обозначен как '1' в изображении справа.

Последующее спонтанное излучение происходит преимущественно на несущей частоте, если энергия отдачи атома пренебрежимо мало по сравнению с квантом колебательной энергии, т.е.

$\vert e, n-1 \rangle \rightarrow \vert g, n-1 \rangle.$

Этот процесс обозначен как '2' в изображении справа. В среднем, этот механизм охлаждает ион на величину одного колебательного уровня. Когда эти шаги повторяются достаточное число раз, то состояние $\vert g,0 \rangle$ достигается с высокой вероятностью. ^{[1] [2] [3]}

Примечания

1. ↑ A.SCHLIESSER,R. RIVIÈRE, G. ANETSBERGER, O. ARCIZET,T. J. KIPPENBERG "Resolved-sideband cooling of a micromechanical oscillator", nature physics, Vol 4 MAY 2008.
2. ↑ Neuhauser, W. and Hohenstatt, M. and Toschek, P. and Dehmelt, H. Optical-sideband cooling of visible atom cloud confined in parabolic well // Phys. Rev. Lett. 1978. V. 41, № 4. P. 233–236.
3. ↑ Schliesser, A. and Riviere, R. and Anetsberger, G. and Arcizet, O. and Kippenberg, T.J. Resolved-sideband cooling of a micromechanical oscillator // Nature Physics. 2008. V. 4, № 5. P. 415–419.