تبريد دوبلر

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 6 صور
الموسوعة الحرة
مبدأ مبسط لتبريد الليزر دوبلر:
1الذرة الثابتة لا ترى الليزر منحرفًا نحو الأحمر أو الأزرق ولا تمتص الفوتون.
2الذرة التي تتحرك بعيدًا عن الليزر تراه منزاحًا نحو الأحمر ولا تمتص الفوتون.
3.1ترى الذرة المتحركة باتجاه الليزر أنه قد انزاح نحو اللون الأزرق وتمتص الفوتون، مما يؤدي إلى إبطاء الذرة.
3.2يقوم الفوتون بإثارة الذرة، مما يؤدي إلى نقل الإلكترون إلى حالة كمومية أعلى.
3.3تعيد الذرة إصدار فوتون. وبما أن اتجاهه عشوائي، فلا يوجد تغيير صافٍ في الزخم عبر العديد من الفوتونات.

التبريد الدوبلري هو آلية تُستخدم لحصر حركة الذرات وإبطائها لتبريد مادة ما . ويُستخدم هذا المصطلح أحيانًا كمرادف للتبريد بالليزر ، مع أن التبريد بالليزر يشمل تقنيات أخرى .

تاريخ

اقترحت مجموعتان في عام 1975 تقنية التبريد الدوبلري في آنٍ واحد، الأولى تضم ديفيد ج. واينلاند وهانز جورج ديهملت [ 1 ] ، والثانية تضم ثيودور و. هانش وآرثر ليونارد شاولاو [ 2 ] . وقد تم إثبات هذه التقنية لأول مرة من قبل واينلاند ودرولينجر ووالز في عام 1978 [ 3 ] ، وبعد ذلك بفترة وجيزة من قبل نويهاوزر وهوهنشتات وتوشيك وديهملت [ 4 ] . يُشار إلى أحد الأشكال البسيطة من التبريد الدوبلري باسم " الدبس البصري" ، نظرًا لأن القوة البصرية المبددة تُشبه مقاومة اللزوجة التي يتعرض لها جسم يتحرك عبر الدبس. وقد مُنح ستيفن تشو وكلود كوهين-تانوجي وويليام د. فيليبس جائزة نوبل في الفيزياء عام 1997 لأبحاثهم في مجال التبريد بالليزر واحتجاز الذرات [ 5 ] .

شرح موجز

تعتمد عملية التبريد الدوبلري على استخدام ضوء بتردد أقل قليلاً من تردد انتقال إلكتروني في الذرة . ولأن الضوء مضبوط على "اللون الأحمر" (أي بتردد أقل) للانتقال، فإن الذرات ستمتص المزيد من الفوتونات إذا تحركت نحو مصدر الضوء، وذلك بسبب تأثير دوبلر .

لنفترض أبسط حالة لحركة أحادية البعد على المحور السيني . لنفترض أن الفوتون يتحرك في الاتجاه الموجب (+ x) والذرة في الاتجاه السالب ( -x) . في كل عملية امتصاص، تفقد الذرة كمية من الزخم تساوي كمية زخم الفوتون. الذرة، التي أصبحت الآن في حالة إثارة، تُصدر فوتونًا تلقائيًا ولكن عشوائيًا على طول المحور الموجب (+ x) أو السالب ( -x) . ثم تعود كمية الزخم إلى الذرة. إذا انبعث الفوتون على طول المحور الموجب (+ x) ، فلا يوجد تغيير صافٍ؛ أما إذا انبعث على طول المحور السالب ( -x ) ، فإن الذرة تتحرك ببطء أكبر في أي من الاتجاهين .

النتيجة النهائية لعملية الامتصاص والانبعاث هي انخفاض سرعة الذرة، بشرط أن تكون سرعتها الابتدائية أكبر من سرعة ارتداد الفوتون الواحد. إذا تكررت عمليتا الامتصاص والانبعاث عدة مرات، فإن متوسط ​​سرعة الذرة، وبالتالي طاقتها الحركية ، سينخفض. وبما أن درجة حرارة مجموعة من الذرات هي مقياس للطاقة الحركية الداخلية العشوائية، فإن هذا يُعادل تبريد الذرات.

حد التبريد بتقنية دوبلر هو الحد الأدنى لدرجة الحرارة التي يمكن تحقيقها باستخدام التبريد بتقنية دوبلر.

شرح مفصل

إن الغالبية العظمى من الفوتونات التي تقترب من ذرة معينة لا تتأثر بها تقريبًا [ 6 ] . فالذرة شفافة تمامًا تقريبًا لمعظم ترددات (ألوان) الفوتونات.

تتفاعل بعض الفوتونات مع الذرة في نطاقات ترددية ضيقة جدًا (لون واحد بدلًا من مزيج ألوان كالضوء الأبيض ). عندما يقترب أحد هذه الفوتونات من الذرة، تمتص الذرة هذا الفوتون عادةً ( طيف الامتصاص ) لفترة وجيزة، ثم تُصدر فوتونًا مطابقًا ( طيف الانبعاث ) في اتجاه عشوائي غير متوقع. (توجد أنواع أخرى من التفاعلات بين الذرات والفوتونات، لكنها غير ذات صلة بهذا المقال).

إن الفكرة الشائعة بأن الليزر يزيد الطاقة الحرارية للمادة ليست صحيحة عند دراسة الذرات المفردة. فإذا كانت ذرة معينة ساكنة عمليًا (ذرة "باردة")، وكان بالإمكان التحكم في تردد الليزر المُسلط عليها، فإن معظم الترددات لا تؤثر عليها، إذ تكون غير مرئية عند تلك الترددات. هناك فقط نطاقات تردد كهرومغناطيسي قليلة تؤثر على تلك الذرة. عند هذه الترددات، تستطيع الذرة امتصاص فوتون من الليزر، أثناء انتقالها إلى حالة إلكترونية مثارة، واكتساب زخم ذلك الفوتون. وبما أن الذرة تمتلك الآن زخم الفوتون، فإنها تبدأ بالتحرك في اتجاه مساره. وبعد فترة وجيزة، تُصدر الذرة فوتونًا تلقائيًا في اتجاه عشوائي أثناء عودتها إلى حالة إلكترونية أدنى. إذا انبعث هذا الفوتون في اتجاه الفوتون الأصلي، فإن الذرة ستفقد زخمها للفوتون وتعود ساكنة مرة أخرى. إذا انبعث الفوتون في الاتجاه المعاكس، فسيتعين على الذرة توفير زخم في ذلك الاتجاه، مما يعني أنها ستكتسب زخمًا أكبر في اتجاه الفوتون الأصلي (للحفاظ على الزخم)، بضعف سرعتها الأصلية. ولكن عادةً ما ينطلق الفوتون في اتجاه آخر ، مما يمنح الذرة قوة دفع جانبية ولو بسيطة.

هناك طريقة أخرى لتغيير الترددات، وهي تغيير موضع الليزر، على سبيل المثال، باستخدام ليزر أحادي اللون بتردد أقل بقليل من أحد ترددات الرنين لهذه الذرة (وهو التردد الذي لا يؤثر فيه الليزر بشكل مباشر على حالة الذرة). إذا وُضع الليزر بحيث يتحرك باتجاه الذرات المرصودة، فإن تأثير دوبلر سيرفع تردده. عند سرعة محددة، سيكون التردد مناسبًا تمامًا لبدء امتصاص الفوتونات من قِبل هذه الذرات.

يحدث شيء مشابه جدًا في أجهزة التبريد بالليزر، إلا أن هذه الأجهزة تبدأ بسحابة دافئة من الذرات تتحرك في اتجاهات متعددة بسرعات متغيرة. عند بدء التشغيل بتردد ليزر أقل بكثير من تردد الرنين، تمر فوتونات أي ليزر عبر معظم الذرات. مع ذلك، تلتقط الذرات التي تتحرك بسرعة نحو ليزر معين فوتونات ذلك الليزر، مما يبطئ حركتها حتى تصبح شفافة مرة أخرى. (الذرات التي تتحرك بسرعة بعيدًا عن ذلك الليزر تكون شفافة لفوتوناته ، لكنها تتحرك بسرعة نحو الليزر المقابل له مباشرةً). يُلاحظ هذا الاستخدام لسرعة محددة لتحفيز الامتصاص أيضًا في مطيافية موسباور .

على رسم بياني لسرعات الذرات (حيث تُقابل الذرات المتحركة بسرعة نحو اليمين نقاطًا ثابتة في أقصى اليمين، والذرات المتحركة بسرعة نحو اليسار نقاطًا ثابتة في أقصى اليسار)، يوجد نطاق ضيق على الحافة اليسرى يُمثل السرعة التي تبدأ عندها هذه الذرات بامتصاص الفوتونات من الليزر الأيسر. الذرات الموجودة في هذا النطاق هي الوحيدة التي تتفاعل مع الليزر الأيسر. عندما يصطدم فوتون من الليزر الأيسر بإحدى هذه الذرات، تتباطأ فجأة بمقدار يتناسب مع زخم ذلك الفوتون (تُعاد رسم النقطة مسافة "كمية" ثابتة إلى اليمين). إذا أطلقت الذرة الفوتون مباشرةً نحو اليمين، تُعاد رسم النقطة المسافة نفسها إلى اليسار، لتعود إلى نطاق التفاعل الضيق. ولكن عادةً ما تُطلق الذرة الفوتون في اتجاه عشوائي آخر، فتُعاد رسم النقطة تلك المسافة الكمية في الاتجاه المعاكس.

سيتم بناء مثل هذا الجهاز باستخدام العديد من الليزرات، بما يتوافق مع العديد من خطوط الحدود التي تحيط تمامًا بسحابة النقاط تلك.

مع زيادة تردد الليزر، يتقلص الحد، مما يدفع جميع النقاط الموجودة على هذا الرسم البياني نحو سرعة صفرية، وهو التعريف المعطى لـ "البرودة".

الحدود

درجة الحرارة الدنيا

درجة حرارة دوبلر هي أدنى درجة حرارة يمكن تحقيقها باستخدام تبريد دوبلر.

عندما يمتص فوتونًا بواسطة ذرة تنتشر عكس اتجاه مصدر الضوء، تنخفض سرعته بفعل قانون حفظ الزخم . وعندما ينبعث الفوتون الممتص تلقائيًا من الذرة المثارة ، تتلقى الذرة دفعة زخم في اتجاه عشوائي. وتكون الانبعاثات التلقائية متناحية ، ولذلك فإن متوسط ​​دفعات الزخم هذه يساوي صفرًا بالنسبة للسرعة المتوسطة. من ناحية أخرى، فإن متوسط ​​مربع السرعة،⟨v2⟩{\displaystyle \langle v^{2}\rangle }لا يساوي الصفر في العملية العشوائية، وبالتالي يتم تزويد الذرة بالحرارة. [ 7 ] عند الاتزان، تتساوى معدلات التسخين والتبريد، مما يحدد مقدار التبريد الذي يمكن أن تصل إليه الذرة. ولأن الانتقالات المستخدمة في تبريد دوبلر لها عرض خطوط طيفية طبيعي واسعγ{\displaystyle \gamma }(مقاسة بالراديان في الثانية )، وهذا يحدد الحد الأدنى لدرجة حرارة الذرات بعد التبريد ليكون [ 8 ].

تيدoصصلهـر=ℏγ/(2كب)،{\displaystyle T_{\mathrm {Doppler} }=\hbar \gamma /(2k_{\text{B}}),}

أينكب{\displaystyle k_{\text{B}}}هو ثابت بولتزمان وℏ{\displaystyle \hbar }هو ثابت بلانك المختزل . وعادة ما يكون هذا أعلى بكثير من درجة حرارة الارتداد ، وهي درجة الحرارة المرتبطة بالزخم المكتسب من الانبعاث التلقائي للفوتون.

تم التحقق من حد دوبلر باستخدام غاز الهيليوم شبه المستقر. [ 9 ]

التبريد دون مستوى دوبلر

تم تحقيق درجات حرارة أقل بكثير من حد دوبلر باستخدام طرق تبريد ليزرية متنوعة، بما في ذلك تبريد سيزيف ، والتبريد التبخيري ، وتبريد النطاقات الجانبية المُحَلَّلة . تفترض نظرية تبريد دوبلر وجود ذرة ذات بنية بسيطة ثنائية المستويات، بينما تمتلك معظم الذرات التي تُبرَّد بالليزر بنية فائقة الدقة معقدة. وتؤدي آليات مثل تبريد سيزيف، الناتج عن حالات أرضية متعددة، إلى درجات حرارة أقل من حد دوبلر.

أقصى تركيز

يجب أن يكون التركيز في حده الأدنى لمنع امتصاص الفوتونات في الغاز على شكل حرارة. يحدث هذا الامتصاص عندما تصطدم ذرتان ببعضهما البعض، إحداهما تحتوي على إلكترون مُثار. حينها، يُحتمل أن يعود الإلكترون المُثار إلى حالته الأرضية، مُطلقًا طاقته الزائدة على شكل طاقة حركية إضافية للذرات المتصادمة، مما يُسخنها. يُعيق هذا عملية التبريد، وبالتالي يُحد من أقصى تركيز للغاز الذي يُمكن تبريده بهذه الطريقة.

التركيب الذري

لا تمتلك سوى بعض الذرات والأيونات انتقالات ضوئية قابلة للتبريد بالليزر، نظرًا لصعوبة توليد كميات الطاقة الليزرية اللازمة بأطوال موجية أقصر بكثير من 300  نانومتر. علاوة على ذلك، كلما زاد تعقيد البنية فائقة الدقة للذرة، زادت احتمالية انبعاث فوتون من الحالة العليا دون عودتها إلى حالتها الأصلية، مما يضعها في حالة مظلمة ويمنعها من عملية التبريد. من الممكن استخدام ليزرات أخرى لإعادة ضخ هذه الذرات ضوئيًا إلى الحالة المثارة ومحاولة التبريد مرة أخرى، ولكن كلما زاد تعقيد البنية فائقة الدقة، زاد عدد الليزرات المطلوبة (ضيقة النطاق، ذات التردد الثابت). ونظرًا لتعقيد الليزرات ذات التردد الثابت وارتفاع تكلفتها، نادرًا ما يتم تبريد الذرات التي تحتاج إلى أكثر من ليزر إعادة ضخ إضافي؛ فمثلاً، يتطلب مصيدة الروبيديوم المغناطيسية الضوئية الشائعة ليزر إعادة ضخ واحد. وهذا أيضاً هو السبب في صعوبة تبريد الجزيئات بالليزر عموماً: فبالإضافة إلى بنيتها فائقة الدقة، تمتلك الجزيئات أيضاً اقترانات دورانية اهتزازية ، وبالتالي يمكنها أن تتحلل إلى حالات دورانية أو اهتزازية مثارة. ومع ذلك، فقد تم إثبات تبريد الجزيئات بالليزر، أولاً مع جزيئات SrF، [ 10 ] ثم مع جزيئات ثنائية الذرة أخرى مثل CaF [ 11 ] [ 12 ] وYO. [ 13 ]

التكوينات

يمكن استخدام مجموعات من أشعة الليزر المتعاكسة في جميع الأبعاد الكارتيزية الثلاثة لتبريد درجات الحرية الحركية الثلاث للذرة. تشمل تكوينات التبريد بالليزر الشائعة: الماصة الضوئية، والمصيدة المغناطيسية الضوئية ، ومُبطئ زيمان .

يمكن تبريد الأيونات الذرية المحصورة في مصيدة أيونية باستخدام شعاع ليزر واحد، شريطة أن يكون لهذا الشعاع مركبة على طول جميع درجات حرية الحركة الثلاث. وهذا يختلف عن الحاجة إلى ستة أشعة ليزر لحصر الذرات المتعادلة. أُجريت تجارب التبريد بالليزر الأصلية على أيونات في مصائد أيونية. (نظريًا، يمكن تبريد الذرات المتعادلة بشعاع واحد إذا أمكن حصرها في مصيدة عميقة، ولكن عمليًا تكون المصائد المتعادلة أقل عمقًا بكثير من المصائد الأيونية، وقد يكون ارتداد واحد كافيًا لإخراج ذرة متعادلة من المصيدة).

التطبيقات

يُعدّ التبريد بتقنية دوبلر أحد استخدامات تقنية دبس السكر الضوئية . وتشكل هذه العملية جزءًا من المصيدة المغناطيسية الضوئية، ولكن يمكن استخدامها بشكل مستقل.

يُستخدم تبريد دوبلر أيضاً في التحليل الطيفي وعلم القياس، حيث يسمح التبريد بالحصول على خصائص طيفية أدق. على سبيل المثال، تتضمن جميع أفضل تقنيات الساعات الذرية تبريد دوبلر في مرحلة ما.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ^ واينلاند، دي جي؛ ديميلت، هـ. (1975). "المقترح 10 14Δ ν < ν التحليل الطيفي بالليزر على Tl +"مذبذب الأيون الأحادي III" (ملف PDF) . نشرة الجمعية الفيزيائية الأمريكية . 20 : 637.
  2. ↑ هانش، تي دبليو؛ شالو، إيه إل (1975). "تبريد الغازات بواسطة إشعاع الليزر" . اتصالات البصريات . 13 (1): 68. Bibcode : 1975OptCo..13...68H . doi : 10.1016/0030-4018(75)90159-5 .
  3. ↑ وينلاند، دي جيه؛ درولينجر، آر إي؛ وولس، إف إل (1978). "تبريد المواد الماصة الرنانة المقيدة بضغط الإشعاع" . رسائل المراجعة الفيزيائية . 40 (25): 1639. رمز Bibcode : 1978PhRvL..40.1639W . doi : 10.1103/PhysRevLett.40.1639 .
  4. ↑ نويهاوزر، دبليو؛ هوهنشتات، إم؛ توشيك، بي؛ ديهملت، إتش (1978). "تبريد النطاق الجانبي البصري لسحابة ذرية مرئية محصورة في بئر مكافئ". رسائل المراجعة الفيزيائية . 41 (4): 233. Bibcode : 1978PhRvL..41..233N . doi : 10.1103/PhysRevLett.41.233 .
  5. ↑ «جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1997» . مؤسسة نوبل. مؤرشف من الأصل في 7 أكتوبر 2008. تم الاطلاع عليه في 9 أكتوبر 2008 .
  6. توجد عمليات، مثل تشتت رايلي ورامان ، تقوم من خلالها الذرات والجزيئات بتشتيت الفوتونات غير الرنانة؛ انظر، على سبيل المثال، هيشت، إي.؛ زاجاك، أ. (1974). البصريات . أديسون-ويسلي . ISBN 978-0-201-02835-5.ومع ذلك، فإن هذا النوع من التشتت عادة ما يكون ضعيفًا جدًا مقارنة بالامتصاص والانبعاث الرنيني (أي التألق).
  7. ↑ ليت، ب.د.؛ فيليبس، و.د.؛ رولستون، س.ل.؛ تانر، س.إ .؛ واتس، ر.ن.؛ ويستبروك، س.إ. (1989). "الدبس البصري" . مجلة الجمعية البصرية الأمريكية ب . 6 (11): 2084-2107 . رمز Bibcode : 1989JOSAB...6.2084L . doi : 10.1364/JOSAB.6.002084 .
  8. ↑ ليتوخوف، ف.س.؛ مينوجين، ف.ج.؛ بافليك، ب.د. (1977). "تبريد واحتجاز الذرات والجزيئات بواسطة مجال ضوئي رنيني". الفيزياء السوفيتية JETP . 45 : 698. Bibcode : 1977JETP...45..698L .
  9. ↑ تشانغ، ر.؛ هويندرفانغر، أ.ل.؛ بوتون، ك.؛ فانغ، ي.؛ كلافكا، ت.؛ أودو، ك.؛ أسبكت، أ.؛ ويستبروك، س.إ.؛ كليمنت، د. (2014). "التبريد الليزري ثلاثي الأبعاد عند حد دوبلر". مجلة Physical Review A. 90 ( 6) 063407. arXiv : 1409.2519 . Bibcode : 2014PhRvA..90f3407C . doi : 10.1103/PhysRevA.90.063407 . S2CID 55013080 . 
  10. ↑ شومان، إي إس؛ باري، جيه إف؛ ديميل، دي. (2010). "التبريد بالليزر لجزيء ثنائي الذرة". نيتشر . 467 (7317): 820-823 . arXiv : 1103.6004 . Bibcode : 2010Natur.467..820S . doi : 10.1038/nature09443 . PMID: 20852614. S2CID : 4430586 .  
  11. ↑ "تبريد CaF بالليزر" . doylegroup.harvard.edu/ . مجموعة دويل، جامعة هارفارد . تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 نوفمبر 2015 .
  12. ↑ زيليازكوفا، ف.؛ كورنول، أ.؛ وول، ت. إ.؛ ماتسوشيما، أ.؛ هدسون، ج. ج.؛ هايندز، إ. أ.؛ تاربوت، م. ر.؛ ساور، ب. إ. (2014). "التبريد بالليزر وإبطاء جزيئات فلوريد الكالسيوم". مجلة Physical Review A. 89 ( 5) 053416. arXiv : 1308.0421 . Bibcode : 2014PhRvA..89e3416Z . doi : 10.1103/PhysRevA.89.053416 . S2CID 119285667 . 
  13. ↑ هامون، إم تي؛ يو، إم؛ ستول، بي كيه؛ كولوبي، إيه إل؛ شيا، واي؛ يي، جيه (2013). "الاحتجاز المغناطيسي البصري ثنائي الأبعاد للجزيئات ثنائية الذرة". رسائل المراجعة الفيزيائية . 110 (14) 143001. arXiv : 1209.4069 . Bibcode : 2013PhRvL.110n3001H . doi : 10.1103/PhysRevLett.110.143001 . PMID 25166984. S2CID 13718902 .  

للمزيد من القراءة