Refrigeración sub-Doppler

En física atómica, molecular y óptica , el enfriamiento sub-Doppler es una clase de técnicas de enfriamiento láser que reducen la temperatura de átomos y moléculas por debajo del límite de enfriamiento Doppler . En la implementación experimental, el enfriamiento Doppler está limitado por el ancho de línea natural amplio de los láseres utilizados en el enfriamiento. ^{[ 1 ]} Sin embargo, independientemente de la transición utilizada, los procesos de enfriamiento Doppler tienen un límite de enfriamiento intrínseco que se caracteriza por el retroceso del momento debido a la emisión de un fotón de la partícula. Esto se denomina temperatura de retroceso y suele estar muy por debajo del límite basado en el ancho de línea mencionado anteriormente. Mediante métodos de enfriamiento láser que van más allá de las aproximaciones de dos niveles de los átomos, se puede lograr una temperatura por debajo de este límite.

El bombeo óptico entre los subniveles que componen un estado atómico introduce un nuevo mecanismo para alcanzar temperaturas ultrabajas. La característica esencial del enfriamiento sub-Doppler es la no adiabaticidad de los átomos en movimiento con respecto al campo de luz. Para un campo de luz dependiente espacialmente, la orientación de los átomos en movimiento se ajusta mediante bombeo óptico para adaptarse a las condiciones del campo de luz. Sin embargo, los átomos en movimiento no se ajustan instantáneamente al campo de luz a medida que se desplazan; su orientación siempre se retrasa con respecto a la orientación que existiría para átomos estacionarios, lo que determina la absorción diferencial dependiente de la velocidad y, por lo tanto, el enfriamiento. Con este proceso de enfriamiento, se pueden obtener temperaturas más bajas. ^{[ 2 ]}

Se han utilizado diversos métodos, de forma independiente o combinados en una secuencia experimental, para lograr el enfriamiento sub-Doppler. Un método para producir bombeo óptico dependiente espacialmente es el enfriamiento por gradiente de polarización , donde la superposición de dos haces láser que se propagan en direcciones opuestas con polarizaciones ortogonales genera un campo de luz con polarización que varía en la escala de la longitud de onda. Un mecanismo específico dentro del enfriamiento por gradiente de polarización es el enfriamiento de Sísifo , donde los átomos ascienden por "colinas potenciales" creadas por la interacción de sus estados de energía interna con campos de luz que varían espacialmente. El campo de luz en la melaza óptica tridimensional también presenta un gradiente de polarización.

Otros métodos de enfriamiento sub-Doppler incluyen enfriamiento evaporativo , enfriamiento Raman en espacio libre , enfriamiento de banda lateral Raman, enfriamiento de banda lateral resuelta , enfriamiento por transparencia inducida electromagnéticamente (EIT) y el uso de una trampa magnetoóptica oscura. Estas técnicas se pueden utilizar dependiendo de la temperatura mínima necesaria y las especificaciones de la configuración individual. Por ejemplo, se utilizó una técnica óptica de tiempo de vuelo de melaza para enfriar sodio (límite Doppler).${\displaystyle T_{D}\approx 240\ \mu K}$) a${\textstyle 43\pm 20\ \mu K}$. ^{[ 3 ]}

Entre las motivaciones para el enfriamiento sub-Doppler se incluyen el enfriamiento al estado fundamental de movimiento, el enfriamiento al estado fundamental de movimiento y un requisito para mantener la fidelidad durante muchas operaciones de computación cuántica .

Una trampa magnetoóptica (MOT) se utiliza comúnmente para enfriar y atrapar una sustancia mediante enfriamiento Doppler. En este proceso, la luz roja desintonizada es absorbida por los átomos desde una dirección específica y reemitida en una dirección aleatoria. Los electrones de los átomos decaen a estados fundamentales alternativos si estos poseen más de un nivel fundamental hiperfino. Si todos los átomos se encuentran en estados fundamentales distintos a los del enfriamiento Doppler, el sistema no puede enfriarlos más.

Para solucionar este problema, la luz de bombeo adicional incidiría sobre el sistema para repoblar los átomos y reiniciar el proceso de enfriamiento Doppler. Esto induciría una mayor emisión de fluorescencia por parte de los átomos, la cual podría ser absorbida por otros átomos, actuando como una fuerza repulsiva. Debido a este problema, el límite Doppler aumentaría y sería más fácil de alcanzar. Cuando se observa una mancha oscura o líneas en la forma de la luz de bombeo adicional, los átomos en el centro del gas atómico no serían excitados por dicha luz, lo que disminuiría la fuerza de repulsión en comparación con los casos anteriores.

Esto puede ayudar a enfriar los átomos a una temperatura inferior al límite típico de enfriamiento Doppler. Esto se denomina trampa magnetoóptica oscura (DMOT). ^{[ 4 ]}

El límite de enfriamiento Doppler se establece equilibrando el calentamiento de los impulsos de momento. Aplicar los resultados de la ecuación de Fokker-Planck a los procesos sub-Doppler conduciría a una temperatura final arbitrariamente baja a medida que el coeficiente de amortiguación se vuelve arbitrariamente grande. Se necesitan algunas consideraciones más. Por ejemplo, cuando un fotón se dispersa, se supone que el cambio de momento del átomo es pequeño en relación con su momento total, pero cuando el átomo se desacelera hasta alrededor de la región de${\textstyle v_{r}={\frac {\hbar k}{M}}}$, el cambio de momento se vuelve significativo. Por lo tanto, a bajas velocidades, la emisión espontánea dejaría al átomo con un momento residual alrededor de${\textstyle \hbar k}$, que establece una escala de velocidad mínima. La distribución de velocidad alrededor${\textstyle v_{r}}$no puede describirse bien mediante la ecuación de Fokker-Planck, y esto establece un límite inferior intuitivo para la temperatura. ^{[ 2 ]}

Además, el enfriamiento por gradiente de polarización depende de la capacidad de localizar átomos a una escala de${\textstyle \sim \lambda /{2\pi }}$, dónde${\textstyle \lambda }$es la longitud de onda de la luz. Debido al principio de incertidumbre, esta localización también impone una dispersión de momento mínima.${\textstyle \sim \hbar k}$, lo que también conlleva un límite en cuanto a cuánto se pueden enfriar los átomos.

Estas teorías se ponen a prueba en los cálculos analíticos y numéricos de ^{[ 5 ]} con un gradiente de polarización unidimensional. Se demostró que, en el límite de gran desintonización, la distribución de velocidad depende únicamente de un parámetro adimensional: el desplazamiento de la luz del estado fundamental dividido por la energía de retroceso. Se encontró que la energía cinética mínima es del orden de 40 veces la energía de retroceso.