سرمایش لیزری

{laser cooling} [فیزیک] شیوه ای برای کند کردن حرکت اتم ها در باریکۀ اتمی، با تاباندن باریکۀ لیزر کوک شده در جهت مخالف

سرمایش لیزری به چندین روش گفته می شود که در آن ها اتمها یا مولکول ها طی برهم کنش با یک یا چند میدانِ لیزر تا دمایی نزدیک به صفر مطلق سرد می شوند. اولین و پرکاربردترین روش سرمایش لیزری، سرمایش دوپلر است. سرد کردن اتم ها در پژوهش های مربوط به پدیده های کوانتومی اهمیت بسیار دارند. اساس کار سردسازی با لیزر ها، انتقال تکانه فوتون به اتم، و تابش فوتون برانگیخته در جهات تصادفی است.
دما، در واقع انرژی جنبشی سرعت های کاتوره ای ذرات تشکیل دهنده ی یک ماده هستند که سرعت بیشتر، دمای بیشتر را به همراه دارد پس برای کاهش دمای یک جسم باید از سرعت ذرات آن کاسته شود. ایده ی اصلی سردسازی با لیزر جذب فوتون توسط یک اتم درحال حرکت، درخلاف حرکت آن و همچنین گسیل فوتون در تمامی جهات به دلیل عدم ارجحیت فضایی برای گسیل است که این روش به سردسازی دوپلر مشهور است. در میان روش های سرمایش به کمک لیزر، این روش از پرکاربردترین هاست. به همین دلیل گاهی واژهٔ سرمایش لیزری هم معنا با سرمایش دوپلر استفاده می شود، در حالی که سرمایش لیزری علاوه بر سرمایش دوپلر شامل روش های دیگری نیز هست. روش سرمایش دوپلر در سال ۱۹۷۵ به طور هم زمان توسط دو گروه، یکی شامل دیوید واینلند و هانس جرج دهملت و دیگری متشکل از تئودور هانش و آرتور لئونارد شالو مطرح شد. استیون چو، کلود کوهن تانوژی و ویلیام دانیل فیلیپ جایزهٔ نوبل سال ۱۹۹۷ را به خاطر پژوهش هایشان در زمینهٔ به دام اندازی اتم و سرمایش لیزری دریافت کردند. میتوان مساله را در حالت یک بعدی بدون کم شدن از کلیت مفهوم بررسی کرد. برای سردسازی یک اتم با حرکت یک بعدی دو لیزر در سمت راست و چپ با طول موج یکسان قرار میدهیم. فوتون با توجه به یک بعدی بودن مساله به سمت یکی از لیزر ها در حرکت می باشد. در اتم، الکترون ها در اربیتال های با انرژی گسسته بصورت پایدار هستند و درصورتی که انرژی فوتون دقیقا برابر اختلاف انرژی دو تراز باشد، الکترون برانگیخته شده و به تراز بالاتر میرود؛ اما به علت ناپایداری مجدد به تراز قبل بازخواهد گشت و فوتونی دقیقا به اندازه ی فوتون دریافتی در زاویه فضایی ای، بدون ارجحیت خاصی گسیل میکند. اما با توجه به عدم قطعیت هایزنبرگ، طول موج فوتون فرودی هیچگاه دقیقا برابر با طول موج گذار نیست، بلکه احتمال جذب فوتون توسط تابع توزیع احتمال لورنتز، که حالتی از توزیع کوشی است توضیح داده میشود.

شیوه‏ای برای کند کردن حرکت اتم‌ها در باریکۀ اتمی، با تاباندن باریکۀ لیزر کوک‏شده در جهت مخالف.

💡 سرمایش لیزری به روش دوپلر دارای کمینه دمای قابل دستیابی است؛ چون هرچه دمای اتم و در نتیجه سرعت اتم کمتر باشد، انتقال به سرخ فوتون ها کمتر بوده و فوتون های دو لیزر مشابه یکدیگر رفتار کرده و اتم در همان حالت باقی میماند.

💡 سرمایش لیزری به‌طور معمول در آزمایش‌های فیزیک کوانتومی برای دست یابی به دماهای نزدیک به صفر مطلق انجام می‌شود زیرا آثار کوانتومی تنها در این دماها رخ می‌دهند. در کل سرمایش لیزری تنها برای سرد کردن در سطوح اتمی مورد استفاده قرار گرفته‌است، هرچند اخیراً با پیشرفت فناوری یک نمونه ماکروسکوپیک با این روش سرد شده‌است.

💡 این روش و مبنای فیزیکی آن، اولین بار توسط استیون چو و کلود کوهن تانوژی مطرح شد.، استیون چو و کلود کوهن تانوژی به همراه ویلیام دانیل فیلیپ جایزهٔ نوبل سال ۱۹۹۷ را به خاطر پژوهش هایشان در زمینهٔ به دام اندازی اتم‌ها و سرمایش لیزری دریافت کردند.