Chłodzenie laserowe atomów

Co się właśnie stało?

Naświetliłeś atom fotonami z dwóch przeciwnych stron. Za każdym razem, gdy atom pochłonie foton lecący naprzeciw jego ruchu, foton przekazuje mu swój pęd — w kierunku przeciwnym do prędkości atomu. Efekt: atom hamuje.

Pęd fotonu i zasada zachowania pędu:

— foton o długości fali λ niesie pęd p (h — stała Plancka). Gdy atom go pochłania, przejmuje ten pęd zgodnie z zasadą zachowania pędu: pęd układu atom+foton musi być zachowany, więc atom traci prędkość dokładnie o tyle, o ile foton „popchnął" go w przeciwną stronę.

Dlaczego wiązki muszą być z dwóch stron?

Lasery są dostrojone tak (efekt Dopplera), by atom pochłaniał głównie fotony z wiązki, w którą akurat leci — nigdy z wiązki, która by go przyspieszyła. To „optyczna melasa": z każdej strony atom jest hamowany, niezależnie od kierunku ruchu.

Temperatura to prędkość ruchu:

Temperatura gazu to miara średniej energii kinetycznej ruchu jego cząstek. Skoro fotony systematycznie zabierają atomom pęd i spowalniają je, to jednocześnie obniżają ich temperaturę — metodą tą schładza się atomy do mikrokelwinów, czyli ułamków stopnia powyżej zera bezwzględnego.

Po co Ci to na maturze:

Zadania o pędzie fotonu (p = h/λ) i zasadzie zachowania pędu przy pochłanianiu/emisji światła pojawiają się w dziale fizyki kwantowej. Chłodzenie laserowe to klasyczny przykład makroskopowego skutku pędu fotonu — łączy optykę, mechanikę i termodynamikę w jednym zjawisku, za które przyznano Nobla.

Zapamiętaj: foton ma pęd p = h/λ; pochłonięcie fotonu naprzeciw ruchu hamuje atom; mniejsza prędkość ruchu = niższa temperatura. Więcej fotonów pochłoniętych = zimniejszy atom.