Lazer soğutma

Lazer soğutma; atomik ve moleküler örneklerin bir veya daha fazla lazer alan ile etkileşimi ile mutlak sıfıra yakın derecede soğutulduğu birçok tekniği ifade etmektedir.

Bir lazer fotonu atoma çarpar ve atomun lazerden aldığından daha fazla ortalama enerjisi olan fotonlar yaymasına sebep olur. Enerji farklılığı, atomlar arası termal uyarılmalardan kaynaklanmaktadır. Ve termal uyarılmalardan oluşan bu ısı ışığa dönüştürülür, ki bu da atomu foton olarak bırakır. Buna ayrıca momentumun korunumu yasası açısından da bakılabilir. Bir atom bir lazer ışınına doğru giderken ve lazerden bir foton atom tarafından alınırken, atomun momentumu atomun aldığı fotonun momentumunun miktarı kadar azalır.

Bir hovercraft üzerinde uçtuğunuzu düşünün. Bir yönde belirli bir hızda hareket ediyorsunuz (örneğin; kuzeye doğru). Size doğru dört bir yandan (sağ, sol, ön, arka) ağır metalik toplar atılıyor. Ama siz sadece direkt olarak önünüzden gelen topları yakalayabiliyorsunuz. Eğer bu topların birini yakalayacak olsaydınız momentumun korunumu yasası sebebiyle yavaşlardınız. Sonuçta, bununla beraber, topu atmak zorundasınız, ama topu attığınız yön tamamen rastgele olacak. Momentumun korunumu sebebiyle, topu atmak topun tersi yönünde hızınızı arttıracak. Bununla beraber, “atılma” yönü rastgele olduğu için hızınıza olan bu katkı ortalama olarak yok olacak. Bu yüzden ileri doğru hızınız azalacak (tercihen topları önde yakalama sebebiyle) ve sonunda hareketleriniz tamamen topları yakalama ve atmanın geri tepme kuvveti tarafından belirlenecektir.

Sonuç: Yaklaşık 300 m/s hızındaki bir sodyum atomunun momentumunu durdurmak için totalde 10372 foton gereklidir. Lazer soğutma deneyleri, bir lazerden saniyede 10^7 foton yayıldığını açığa vurmuştur. Bu sodyum atomu uzayda 1 milisaniyede durdurulabilir.

Genellikle manyetik hapsetme kuvvetinin eşlik ettiği Doppler soğutma yöntemi, şimdiye kadarki en yaygın lazer soğutma yöntemidir. Bu yöntem düşük yoğunluktaki gazları Doppler soğutma limitine soğutmak için kullanılır. Bu limit Rubidyum 85 için yaklaşık 150 mikrokelvindir. Doppler soğutma çok özel bir enerji düzeyi yapısı gerektirdiği için metot küçük bir miktar elemente sınırlıdır.

Doppler soğutmada, ışığın sıklığı atomdaki bir elektron geçişinin biraz altında ayarlanır. Işığın ayarı geçişin “kırmızı” (yani daha düşük sıklıkta) sına dönüşür. Böylece atomlar, Doppler etkisi sebebiyle, ışık kaynağına doğru hareket ederse daha çok foton alırlar. Böylece, eğer iki zıt yönden ışık uygulanırsa atomlar her zaman hareket yönlerinin tersini gösteren lazer ışınından daha fazla foton saçacaklardır. Her bir saçılım olayında atom fotonun momentumuna eşit bir momentum kaybeder. Eğer uyarılmış durumdaki atom aynı zamanda bir foton alırsa aynı miktarda momentum ile ters tepilecektir, ama bu rastgele bir yönde olacaktır. Baştaki momentum kaybı hareket yönünün tersinde olduğu için, takip eden momentum kazanımı rastgele yönde iken, emme ve yayılım sürecinin genel sonucu atomun hızını azaltmasıdır (ilk hızının saçılan tek bir fotondan gelen geri tepme hızından daha fazla olması şartı ile). Eğer emme ve yayılım süreçleri birçok kez tekrarlanırsa, ortalama hız ve dolayısıyla atomun kinetik enerjisi azalacaktır. Çünkü bir grup atomun sıcaklığı, ortalama rastlantısal iç kinetik enerji ölçeğidir. Bu, atomları soğutmaya eşdeğerdir.

Protonların bir maddeden ısıyı uzaklaştırmak için kullanıldığı ve bu şekilde maddenin soğutulduğu birtakım benzer süreçler lazer soğutma olarak ifade edilir. Olay, anti skokes fluoerans aracılığıyla gösterilmiştir. Ayrıca aynı etkiyi yaratmak için hem elektrik ışıklı üst-dönüşme hem de foto-ışıklı üst-dönüşme üzerine çalışmalar yapılmıştır. Bunların birçoğunda, ışığın bağdaşımı süreç için gerekli değildir. Ancak, daha fazla ışık saçılımını sağlamak için genellikle lazerler kullanılır.

Lazer soğutma öncelikle mutlak sıfır (0K, −273.15 °C, −459.67 °F) a yakın sıcaklıklara ulaşmak için Kuantum Fizik deneylerinde kullanılır. Bu, sadece bu ısı seviyesinde oluşabilecek kendine has kuantum etkilerini gözlemlemek için yapılır. Lazer soğutma genellikle elementleri soğutmak için sadece atomik düzeyde kullanılmıştır, ancak daha büyük ölçeklerde ilerleme olmaktadır. 2007’de bir MIT ekibi lazer soğutma ile bir makroölçek (1 gram) nesneyi 0.8 K’ye soğutmayı başarmıştır. 2011’de Kaliforniya Teknoloji Enstitüsünden ve Viyana Üniversitesinden bir ekip, lazer soğutma ile nano-ölçek (10 μm x 1 μm) mekanik bir nesneyi kuantum temel durumuna ilk kez soğutan ekip olmuştur.