Ultraauksti atomi

Ultraauksti atomi ir atomi, kuru temperatūra ir tuvu absolūtai nullei. Parasti tie ir daži desmiti mikrokelvinu.

Vēsture 
Ideja atomu dzesēšanai ar lāzeru tika publicēta 1975. gadā. Eksperimentāli Doplera efekta izmantošana atomu dzesēšanai tika pirmo reizi pielietota 1985. gadā. Tā kā atomiem tomēr ir ātrums arī pēc dzesēšanas un tie gravitācijas dēļ krīt, tad 1987. gadā tika izstrādāta metode, lai tos noturētu vietā — magnētoptiskais slazds. 1988. gadā tika publicēti rezultāti, ka temperatūra ir atkarīga no gaismas polarizācijas un apkārtējā magnētiskā lauka un ka ir iespējams sasniegt temperatūras zem paredzētā Doplera limita. Šis novērojums ļāva atklāt Sīsifa dzesēšanu. Par atomu dzesēšanu ar gaismu tika piešķirta 1997. gada Nobela prēmija.

Iegūšanas metodes 
Ultraaukstu atomu iegūšana parasti notiek vairākos soļos, izmantojot dažādas metodes.

Zēmaņa palēninātājs 
Zēmaņa palēninātājs parasti tiek izmantots kā solis, lai atomi tiktu atdzesēti pietiekami, lai tos satvertu magnētoptiskajā slazdā. Tā kā atomu spektrālās līnijas ir šauras, tad, veicot Doplera dzesēšanu, vairs nevarēs ierosināt ar to pašu lāzera frekvenci, jo samazinoties ātrumam mainās Doplera nobīde. Viens no risinājumiem ir izmantot Zēmaņa efektu un atomu kūli laist caur nehomogēnu magnētisko lauku, lai nobīdītu līmeņu enerģijas.

Doplera dzesēšana 
Doplera dzesēšanai tiek izmantoti lāzeri, kuru frekvence ir uzstādīta nedaudz zem atoma rezonanses frekvences. Ja atoms kustās lāzera virzienā, tad Doplera efekta dēļ tas novēro gaismu, kas sakrīt ar rezonenses frekvenci un tiek ierosināts. Tad tas, atgriežoties pamatstāvoklī, izstaro fotonu nejaušā virzienā, bet, to atkārtojot daudzas reizes, vidēji emisijas procesa radītā impulsa izmaiņa ir 0. Doplera dzesēšanai ir limits

kur  ir izmantotās pārejas Lorenca platums,  ir Bolcmaņa konstante un  ir svītrotā Planka konstante. Šis limits ir vairākas kārtas lielāks nekā fotonu atsitiena limits.

Magnētoptiskais slazds 
Magnētoptiskais slazds papildus Doplera dzesēšanai izmanto telpā mainīgu magnētiskā kvadropola lauku, kas izraisa Zēmaņa nobīdi magnētiskajos apakšlīmeņos, kas palielinās attālinoties no centra. Līdz ar to attālinoties no centra, atoma rezonanses frekvence tuvojas lāzera frekvencei, kas palielina varbūtību atomam saņemt impulsu centra virzienā. Temperatūras, kas parasti tiek sasniegtas magnētoptiskajā slazdā ir daži simti mikrokelvinu. Zemākas temperatūras tiek iegūtas ar metodēm, ko neierobežo Doplera dzesēšanas limits.

Sīsifa dzesēšana 
Sīsifa dzesēšana jeb polarizācijas gradienta dzesēšana izmanto divus lāzera starus ar ortogonālām polarizācijām, kas vērsti viens otram pretī. Staru interference rada stāvvilni ar mainīgu polarizāciju, kas izmaina apakšlīmeņu enerģijas. Ja atoms sāk no punkta ar zemāko potenciālo enerģiju, tad kustoties uz vietu ar lielāku potenciālo enerģiju, tā kinētiskā enerģija samazināsies. Tad atoms tiek ierosināts un pārejot atpakaļ un pamatlīmeni tas nonāk apakšlīmenī, kam ir zemāka potenciālā enerģija. Tā kā pāreja aizņem noteiktu laiku, tad atoms tiekot ierosināts vairs neatradīsies potenciālās enerģijas minimumā. Šī metode ļauj atdzesēt atomus zem Doplera dzesēšanas limita.  Robeža zemākajai temperatūrai, ko var sasniegt, izmantojot šo metodi, ir fotona atsitiena limits.

kur  ir gaismas viļņa vektors un  ir atoma masa. Šī robeža izriet no impulsa saglabāšanās likuma.

Iztvaicēšanas dzesēšana 
Iztvaicēšanas dzesēšana ļauj iegūt zemākas temperatūras nekā ar optiskajām metodēm iespējams. Tā strādā samazinot slazda potenciāla dziļumu un ļaujot karstākajiem atomiem to pamest.

Pielietojumi 
Pie ļoti zemām temperatūrām kļūst nozīmīgas kvantu īpašības, tāpēc ultraauksti atomi ļauj pētīt dažādas parādības. Tos izmantojot tika atklāts Bozes—Einšteina kondensāts, par ko tika piešķirta Nobela prēmija 2001. gadā.

Tie arī tiek pētīti pielietojumiem kvantu datoros un kvantu simulācijās.

Zema termālā trokšņa dēļ ultraauksti atomi ļauj veikt ļoti precīzus mērījumus.

Atsauces 

Kvantu mehānika
Termodinamika
Atomfizika