Phương pháp làm lạnh Doppler

Phương pháp làm lạnh Doppler là một cơ chế được dùng để bẫy và làm lạnh nguyên tử hoặc ion. Phương pháp làm lạnh Doppler là một trong các phương pháp làm lạnh phổ biến bằng laser.

Phương pháp làm lạnh này đã được đưa ra bởi Theodor W. Hänsch và Arthur Leonard Schawlow ở Đại học Stanford năm 1975 và được thí nghiệm thành công bởi Steven Chu ở Phòng thí nghiệm AT&T Bell vào năm 1985.

Phương pháp
Khi các nguyên tử hoặc ion đã được bẫy trong bẫy ion thì ta dùng các laser để chiếu photon theo nhiều chiều. Khi nguyên tử chuyển động ngược chiều với chiều chiếu photon, nguyên tử sẽ chuyển động chậm đi, vì thế nhiệt độ nguyên tử cũng giảm.

Giải thích

Khi chiếu chùm photon có bước sóng nhất định về phía một nguyên tử đang chuyển động ngược chiều, do hiệu ứng Doppler nguyên tử sẽ thấy photon có bước sóng dịch chuyển xanh. Nếu bước sóng này phù hợp, nguyên tử có thể hấp thụ photon và chuyển sang trạng thái kích thích trong một khoảng thời gian ngắn. Khi hấp thụ photon, nguyên tử nhận cả momen động lượng của photon đó nên sẽ chuyển động chậm lại, vì chiều chuyển động của photon và nguyên tử ngược chiều nhau.

Do trạng thái kích thích không bền, nguyên tử sẽ giải phóng photon theo một hướng bất kỳ, đồng thời chuyển về mức năng lượng thấp hơn. Nếu photon phát ra theo hướng photon ban đầu thì nguyên tử càng mất momen động lượng. Còn nếu photon phát ra theo hướng ngược lại thì momen động lượng của nguyên tử tăng. Nhưng thường thì photon sẽ được phát ra theo nhiều hướng khác nên momen động lượng của nguyên tử vẫn giảm.

Sự thay đổi tốc độ của nguyên tử khi hấp thụ photon có thể tính theo công thức:
: \frac{\Delta p}{p} = \frac{p_\text{photon}}{mv} = \frac{\Delta v}{v}
do đó
: \Delta v = \frac{p_\text{photon}}{m}

Nếu nguyên tử chuyển động cùng chiều với chiều chiếu photon, theo hiệu ứng Doppler, nguyên tử sẽ thấy photon bị dịch chuyển đỏ, lệch khỏi bước sóng thích hợp và nguyên tử sẽ không thể hấp thụ photon.

Khi các nguyên tử được bẫy trong bẫy ion và được chiếu laser theo nhiều chiều với tần số thích hợp, các nguyên tử sẽ liên tục hấp thụ và giải phóng photon, vì thế momen động lượng của nguyên tử sẽ giảm dần gần về 0. Khi đó các nguyên tử đã được làm lạnh.

William D. Phillips đã đưa ra chứng minh và thí nghiệm việc sử dụng phương pháp làm lạnh Doppler để làm lạnh nguyên tử Na.

Hạn chế
Nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được bằng phương pháp làm lạnh Doppler được gọi là Nhiệt độ Doppler:

T_\text{recoil} = \frac{E_\text{recoil}}{k_{B}} = \frac{\hbar^2 k_{L}^2}{2mk_{B}}

với k_{B} = 1.38 \cdot 10^{-23} J/K là Hằng số Boltzmann

Ứng dụng
Phương pháp làm lạnh Doppler được rộng rãi trong phương pháp làm lạnh bằng laser, đặc biệt kết hợp với những phương pháp làm lạnh khác để tạo được hiệu suất làm lạnh tối ưu, làm lạnh vật thể lớn gần nhiệt độ 0 tuyệt đối.

Phương pháp làm lạnh Doppler được sử dụng để làm giảm nhiệt độ của các chất bán dẫn, làm tiền đề cho việc chế tạo những con chip có khả năng tự làm lạnh, kích thước nhỏ hơn hoặc thiết bị tiết kiệm năng lượng.

Phương pháp làm lạnh Doppler còn được sử dụng trong máy tính lượng tử

Tham khảo

Liên kết ngoài
Nobel Lecture by William D. Phillips, ngày 8 tháng 12 năm 1997: p.201. Laser cooling of automic beam