חומר מכל סוג שהוא מורכב מכמות עצומה של מולקולות ואטומים, שנעים בכל הכיוונים במהירויות שונות. כאשר מוקרנת על החומר קרן לייזר, פוטונים רבים של הקרן מגיבים עם אטומים רבים שנעים בכיוונים שונים במרחב. הרבה מאטומים אלו מתרחקים ממקור הלייזר, כלומר - כיוון תנועתם מכיל רכיב מהירות וקטורי שכיוונו זהה לכיוון תנועת הפוטונים (קשת הכיוונים המתוארת בתרשים 2, שלב א'). אטומים אלו, כאשר יספגו פוטונים ויקבלו את התנע שלהם, יואצו כתוצאה מכך. ומכיוון ששום דבר אינו מונע מאטומים אלו לספוג פוטונים (בניגוד למקרה בו משתמשים בטכניקת הקירור), התהליך יחזור על עצמו וייצור עלייה משמעותית במהירות האטומים.
בנוסף, גם בתהליך פליטת הפוטון (בשלב ההתאזנות) יכול האטום להאיץ. מכיוון שהאטום נרתע לכיוון ההפוך מכיוון הפליטה, כל פליטה בכיוון בעל רכיב מהירות שכיוונו הפוך מכיוון תנועת הפוטון הפוגע (קשת הכיוונים המתוארת בתרשים 2, שלב ב'), תגרום להאצה נוספת של האטום. כך יוצא, שבערך ברבע מהמקרים (מבחינה סטטיסטית) האטום יואץ בשני השלבים, ובערך בחצי הוא יואץ בתהליך הספיגה.
אולם כאשר אטום הואץ בתהליך הספיגה, גם אם הפוטון הנפלט מאט את האטום, הוא מאט אותו ביחס למהירות אחרי הספיגה, אך מהירותו הכוללת נותרת גדולה יותר ממהירותו לפני הספיגה (פרט למקרה יחיד בו הפליטה הפוכה בדיוק לכיוון הספיגה - ואז המהירות נותרת כפי שהייתה לפני כל התהליך).
לפיכך, כאשר התהליך חוזר על עצמו מספיק אטומי החומר מואצים כל כך משמעותית, לרוב עד כדי מעבר של מצב הצבירה (התכה, המסה או התאדות). כדי ליצור אפקט האטה על ידי לייזר, יש לדאוג לפרמטרים רבים לפני ההקרנה, ולכן התוצאה המוכרת של הקרנת לייזר על חומר היא חימומו.
שימושים ושיטות יעילות.
מלכודת מגנטו-אופטית.
מלכודת מגנטו-אופטית (באנגלית: Magneto-Optical Trap או MOT) היא מכשיר המשתמש בטכניקת קירור הלייזר ובשדות מגנטיים על מנת ללכוד אטומים קרים. שימוש במספר קרני לייזר המכוונות לפי טכניקת קירור הלייזר מקרר את האטומים ומונע מהאטום תנועה ספונטנית, ואילו שדות מגנטיים מקוטבים (אשר הכוח המגנטי שהם מפעילים תלוי במיקום האטום) מונעים מהאטומים המקוררים "לזלוג" החוצה ממפגש הקרניים. מלכודת מגנטו-אופטית יכולה לקרר עננת אטומים עד לטמפרטורה של כ-300μK (מיקרו קלווין) - 0.0003 קלווין, כאשר 0 קלווין הוא האפס המוחלט.
סירופ אופטי.
סירופ אופטי (באנגלית: Optical Molasses), הוא שם של שיטה יעילה במיוחד של קירור באמצעות לייזרים. סירופ אופטי מורכב מ-3 זוגות של קרני לייזר מקוטבות מעגלית ומכוונות מעט מתחת לסף הרזוננס. זוגות הקרניים מונחים על שלושת צירי המרחב הראשיים כך שקרניים אלו ייפגשו בנקודה בה נמצאת עננת האטומים אותה מקררים. כל כיוון תנועה של אטום מחולק לשני רכיבי מהירות אנכיים היושבים על צירי המרחב הראשיים, ובכל אחד מצירים אלו ישנן שתי קרניים מנוגדות, שכיוון אחת מהן יהיה מנוגד לכיוון רכיב המהירות. ומכאן, ששיטה זו יעילה כל כך מכיוון שהיא מאפשרת השפעה על כל האטומים בעננה, לא משנה לאיזה כיוון הם נעים, שכן תמיד כיוון שתיים מהקרניים יהיה מנוגד לכיוון רכיבי המהירות של האטום. קירור באמצעות סירופ אופטי מסוגל לקרר אטומים לטמפרטורה של כ-40μK. טמפרטורה זו היא נמוכה יותר מזו המתאפשרת בשימוש במלכודת מגנטו-אופטית, ואף נמוכה מהטמפרטורה המשוערת שגבול דופלר קבע כי מתחת אליה לא ניתן לקרר אטומים. על כן, אף על פי שהעיקרון של קירור באמצעות סירופ אופטי נובע מעיקרון הטכניקה הבסיסית, סירופ אופטי נחשב לקירור תת-דופלרי והוא היווה פריצת דרך משמעותית כאשר הוכיח שגבול דופלר אינו מהווה את גבול יכולת הקירור.
מלקחיים אופטיים.
מלקחיים אופטיים הם מכשיר אשר משתמש בעקרון הפעולה של טכניקת הקירור באמצעות לייזרים, לצורך לכידה של חלקיקים.
בניגוד למלכודות אופטיות אחרות או שיטות קירור מרובות, במלקחיים אופטיים ישנה קרן אחת בלבד, ממוקדת בדיוק רב, אשר יוצרת פוטנציאל אופטי יציב. הייחוד של מכשיר זה היא שמלבד היכולת שלו לצמצם את הכוחות הממוצעים הפועלים על החלקיקים, הוא גם מפעיל על החלקיק אותו הוא לוכד כוח, התלוי במיקומו של החלקיק ביחס למרכז הקרן. כך יוצא, שכאשר החלקיק נמצא במרכז (שם צריך להיות "לכוד") - הכוח מופנה אל מקור הלייזר ואינו מופעל על הציר האנכי לכיוון הקרן. לעומת זאת, כאשר החלקיק "זולג" אל מחוץ למרכז, מתחיל לפעול כוח (שגודלו גדל ככל שמרחק החלקיק מהמרכז גדל) בעל רכיב וקטורי שכיוונו על הציר המאונך לכיוון הקרן - אל כיוון המרכז. כך למעשה המכשיר לוכד את החלקיקים במרכז הקרן. זוהי יכולת בעלת משמעות עצומה, שכן היא מקלה ואף מאפשרת יישומים שלא היו אפשריים בעבר, בתחומים רבים בשירות הפיזיקה או הביולוגיה שכוללים יישומים בחלקיקים נייטרלים.
מגבלות.
גבול דופלר.
גבול דופלר הוא גבול שמתאר טמפרטורה מינימלית ממנה לא ניתן לרדת כאשר מקררים אטומים בעזרת קירור דופלרי. גבול זה נובע מהתנע הנצבר באטום במהלך פליטת פוטון ספונטנית שמתרחשת בתהליכים ספונטניים ובלתי ניתנים למניעה, כגון דעיכה רדיואקטיבית (היוצרת קרינת גמא רבת אנרגיה). במילים אחרות, קירור באמצעות לייזרים מצליח להפחית את תנועת האטום הנובעת מהכוח הממוצע הפועל על חלקיק מסוים, אך אינו יכול למנוע סטיות של כוח זה אשר יוצרות תהליך חימום. עד טמפרטורה מסוימת, התנע שצובר האטום בעקבות פליטה ספונטנית למעשה זניח אם נמדד לאורך זמן, מכיוון שכיוון הפליטה רנדומלי והוא כביכול גם שולל את עצמו ובקושי מביא לשינוי במהירות הכוללת. אך בטמפרטורה אותה גבול דופלר מתאר - בה נוצר שיווי משקל בין קצב הקירור באמצעות הקרניים ובין אפקט החימום הנ"ל, לא ניתן להמשיך ולקרר באמצעות קירור דופלרי.
את הטמפרטורה המתוארת בגבול דופלר ניתן להביע באמצעות הנוסחה:
formula_1
כאשר formula_2 מייצג קבוע פלאנק המצומצם (או קבוע דיראק), formula_3 מייצג את הרוחב הספקטרלי הטבעי (הטבעי משמע רוחב ספקטרלי של אטום במנוחה שאינו מגיב עם סביבתו - נקרא גם רוחב דעיכה), ו-formula_4 מייצג את קבוע בולצמן.
גבול יכולת מעשית.
השם הניתן לטכניקת הקירור הבסיסית - "קירור דופלרי", נובע מהשפעה של אפקט דופלר על תהליך הקירור. למעשה, בעקבות האפקט, נוצרת תלות בין מהירות האטום (על ציר הקרן) ובין כוח ההאטה שמופעל עליו. במילים אחרות, ניתן לראות כי ככל שמהירות האטום (כפי שהוא נצפה במערכת המעבדה) ביחס למהירות פוטוני הקרן (כפי שהם נצפים במערכת המעבדה) קטנה יותר, כך כוח ההאטה המופעל על האטום - קטן. כלומר, שככל שתהליך הקירור בעננה מתקדם, והטמפרטורה הכוללת שלה קטנה, יש להגדיל את תדר המקור על מנת שיצליח להשלים את האנרגיה הדרושה לצורך העירור של האטומים בעננה. מבחינה תאורטית, ככל שנגדיל את התדר (בהתאם לטמפרטורה), העננה תקרר יותר ויותר - עד גבול דופלר. אך מבחינה מעשית, למכשיר המפיק את הלייזר יש כמות תדרים מוגבלת, כך שבשלב מסוים לא ניתן לעלות בתדר על מנת להמשיך ולקרר (אלא אם משתמשים במכשיר בעל תדרים גבוהים במיוחד, אך במקרה זה הוא לא יהיה יעיל לצורך קירור העננה כאשר היא עוד "חמה").
דחיסות עננה מקסימלית.
לצורך יצירת אפקט קירור יעיל, ישנה מגבלה לדחיסות העננה אותה מקררים. ככל שהריכוז בעננה גדל, כך גדל הסיכוי שתתרחש תופעה של ספיגת פוטונים לעננה עצמה אשר תבצע תהליך חימום משמעותי. ספיגה זו מתרחשת כאשר נוצרת התנגשות בין שני אטומים בעננה, בזמן שאחד מהם נמצא במצב של עירור. במקרה כזה קיימת אפשרות שכאשר האלקטרון שעורר יחזור לרמת היסוד עם האנרגיה הנוספת שהוא יוצר תופק אנרגיה קינטית כזו שתוסף להתנגשות ותגרום לחימום האטומים. תופעה זו מתנגדת לתהליך הקירור ועל מנת למנוע אותה יש להגביל את דחיסות העננה.
מבנה אטומי - חומרים הניתנים לקירור.
מכיוון שמאוד קשה לייצר קרני לייזר בעלות מספיק אנרגיית קרינה עבור אורכי גל הנמוכים מ-300nm (ננומטרים), טכניקת קירור הלייזר עובדת באופן יעיל על מספר מוגבל מאוד של חומרים, בעלי מבני אטומים מסוימים המאפשרים השפעה פשוטה יחסית בעזרת כוחות פיזור. בנוסף, ככל שלאטום מסוים תהיה נטייה גדולה יותר לפיצול במעבר בין רמות האנרגיה (מבנה אטומי המכונה Hyperfine Structure), כך יגדל הסיכוי שהאלקטרון המעורר יעבור ב"דרכים" שונות דרך רמות האנרגיה, וכך יפלוט פוטונים שונים בדרכו חזרה לרמת היסוד, מה שיגרום לאטום בו מתרחש בתהליך לאבד את עקרון הפעולה של טכניקת הקירור, והוא לא יתקרר. למעשה, ישנה אפשרות לבצע תהליך הנקרא Optical Pumping, שבמהלכו מועלים אלקטרונים לרמות אנרגיה גבוהות יותר, וכך לאפשר לאטום בעל נטייה לפיצול ברמות האנרגיה - לנסות את התהליך שוב ושוב עד שיעבור תהליך קירור. אבל ביצוע תהליך זה מסבך וכן מייקר משמעותית את פעולת הקירור, שכן יש להשתמש בקרני לייזר "נעולות-תדר" שמופקות ממכשירים יקרים ומסובכים ביותר. לפיכך, הנטייה היא להימנע מקירור אטומים מסובכים כאלו, ועל כן נותרת רשימה מוגבלת של חומרים שאיתם ניתן לבצע את הטכניקה בצורתה הפשוטה.
נוסחאות וחישובים מתמטיים.
אפקט דופלר והסחה לכחול.
כפי שהוסבר, עיקרון הטכניקה מושפע משמעותית מאפקט דופלר, ומ"נגזורתיו" - הסחה לאדום והסחה לכחול. הבסיס לחישוב התדר הדרוש לצורך קירור יעיל נובע ממציאה של האנרגיה הדרושה לצורך עירור ביחס למהירות האטומים בעננה, בהשפעתו של אפקט דופלר. מכיוון שמדובר בגלים אלקטרומגנטיים שמהירותם קבועה, הנוסחה הדרושה היא נוסחת דופלר היחסותית:
formula_5