ゼーマン減速器
ドップラー冷却の原理によると、2準位原子としてモデル化された原子はレーザを用いて冷却することができる。もし原子が特定の方向に移動し、遷移と共鳴する逆伝搬レーザビームに出くわすと、光子を吸収する可能性が非常に高い。光子の吸収は原子に対して運動量保存と一致し、励起状態にする方向に「キック」する。しかし、この状態は不安定であり、しばらくして原子は自然放出を経て基底状態に戻る(例えば、ルビジウム87においてはナノ秒オーダーの時間の後にD2遷移の励起状態は26.2nsの寿命を有する)。光子は再放出される(原子は再び速度を上げる)が、その方向はランダムになる。1つの原子に適用される多数のこれらの過程を平均すると、(吸収された光子が単方向源から来るように)吸収過程が速度を常に同じ方向に減少させるのに対し、放出過程は放出方向がランダムであるため、原子速度に変化を与えない。よって、原子はレーザビームにより効果的に減速される。
それにもかかわらず、ドップラー効果のためにこの基本的な計画には問題がある。原子の共鳴はかなり狭く(数メガHzオーダー)、数回の反動で運動量が減少した後は、そのフレームではレーザの周波数がシフトしているので、ポンプビームと共鳴することはない。ゼーマン減速器は、この問題に取り組むために、磁場がゼーマン効果を用いて原子の共鳴周波数を変化させることができることを利用している。