التبريد التبخيري (الفيزياء الذرية)

التبريد التبخيري هو تقنية فيزيائية ذرية لتحقيق كثافات عالية في فضاء الطور، والتي لا تستطيع تقنيات التبريد البصري وحدها الوصول إليها عادةً. ^{[ 1 ]}

يمكن تبريد الذرات المحصورة في مصائد ضوئية أو مغناطيسية بالتبخير عبر آليتين أساسيتين، عادةً ما تكونان خاصتين بنوع المصيدة: في المصائد المغناطيسية، تُستخدم مجالات الترددات الراديوية لدفع الذرات الساخنة بشكل انتقائي من المصيدة عن طريق إحداث انتقالات بين حالات الدوران المحصورة وغير المحصورة؛ أو في المصائد الضوئية، يُقلل عمق المصيدة نفسها تدريجيًا، مما يسمح للذرات الأكثر طاقة في المصيدة بالهروب عبر حواف الحاجز الضوئي. في حالة توزيع ماكسويل-بولتزمان لسرعات الذرات في المصيدة، تقع هذه الذرات التي تهرب/تُدفع خارج المصيدة في ذيل التوزيع ذي السرعة الأعلى، مما يعني أن طاقتها الحركية (وبالتالي درجة حرارتها) أعلى بكثير من المتوسط ​​في المصيدة. والنتيجة النهائية هي أنه بينما يتناقص إجمالي عدد الذرات المحصورة، يتناقص أيضًا متوسط ​​طاقة الذرات المتبقية. هذا الانخفاض في متوسط ​​الطاقة الحركية لسحابة الذرات يُترجم إلى انخفاض تدريجي في درجة حرارة المصيدة، مما يؤدي إلى تبريدها.

تشبه هذه العملية النفخ على فنجان من القهوة لتبريده: تشكل تلك الجزيئات الموجودة في أعلى مستوى من توزيع الطاقة للقهوة بخارًا فوق السطح، ثم تتم إزالتها من النظام عن طريق نفخها بعيدًا، مما يقلل من متوسط ​​الطاقة، وبالتالي درجة الحرارة، لجزيئات القهوة المتبقية.

يُعد التبريد التبخيري المُستحث بترددات الراديو (RF) الطريقة الأكثر شيوعًا لتبريد الذرات في مصيدة مغناطيسية بصرية (MOT). لنفترض ذرات محصورة تم تبريدها بالليزر عند انتقال |F=0 ⟩ → |F=1 ⟩ . تكون المستويات الفرعية المغناطيسية للحالة |F=1 ⟩ (|m _F = -1,0,1 ⟩ ) متساوية الطاقة عند انعدام المجال الخارجي. يتسبب المجال المغناطيسي الرباعي المحصور، الذي يساوي صفرًا في مركز المصيدة ولا يساوي صفرًا في أي مكان آخر، في حدوث إزاحة زيمان في الذرات التي تبتعد عن مركز المصيدة، مما يؤدي إلى إزالة تساوي الطاقة بين المستويات الفرعية المغناطيسية الثلاثة. تعتمد طاقة التفاعل بين الزخم الزاوي الدوراني الكلي للذرة المحصورة والمجال المغناطيسي الخارجي على إسقاط الزخم الزاوي الدوراني على المحور z، وتتناسب طرديًا مع$${\displaystyle \Delta E\propto -m_{F}B_{Z}}$$يتضح من هذه العلاقة أن المستوى المغناطيسي الفرعي |m _F = -1 ⟩ فقط هو الذي يمتلك طاقة تفاعل موجبة مع المجال، أي أن طاقة الذرات في هذه الحالة تزداد كلما ابتعدت عن مركز المصيدة، مما يجعل مركز المصيدة نقطة طاقة دنيا، وهو تعريف المصيدة. في المقابل، لا تتغير طاقة الحالة |m _F = 0 ⟩ بتأثير المجال (لا يوجد احتجاز)، بينما تنخفض طاقة الحالة |m _F = 1 ⟩ كلما ابتعدت عن مركز المصيدة، مما يجعل المركز نقطة طاقة قصوى. لهذا السبب، تُسمى الحالة |m _F = -1 ⟩ بحالة الاحتجاز، والحالتين |m _F = 0, 1 ⟩ حالتي عدم الاحتجاز. من معادلة طاقة تفاعل المجال المغناطيسي، يتضح أيضًا أن طاقات الحالتين |m _F = 1, -1 ⟩ تتحرك في اتجاهين متعاكسين، مما يُغير فرق الطاقة الكلي بين هاتين الحالتين. لذا، فإن تردد الانتقال |m _F =-1 ⟩ → |m _F =1 ⟩ يشهد انزياحًا زيمانيًا. وبناءً على ذلك، تعمل آلية التبريد التبخيري بترددات الراديو على النحو التالي: يعتمد مقدار الانزياح الزيماني للانتقال -1 → +1 على شدة المجال المغناطيسي، الذي يزداد شعاعيًا باتجاه الخارج من مركز المصيدة. تتحرك الذرات الأبرد ضمن منطقة صغيرة حول مركز المصيدة، حيث تشهد انزياحًا زيمانيًا طفيفًا فقط في تردد الانتقال -1 → +1. أما الذرات الدافئة، فتقضي وقتًا في مناطق من المصيدة أبعد بكثير عن المركز، حيث يكون المجال المغناطيسي أقوى وبالتالي يكون الانزياح الزيماني أكبر. يبلغ الانزياح الناتج عن المجالات المغناطيسية على النطاق المستخدم في مصيدة المغناطيس الدائم النموذجية حوالي ميغاهرتز ، مما يسمح باستخدام مصدر ترددات راديوية لتحفيز الانتقال -1 → +1. يتوافق اختيار تردد مصدر الترددات الراديوية مع نقطة على منحنى جهد الحصر حيث تتعرض الذرات لانزياح زيمان يساوي تردد مصدر الترددات الراديوية، مما يدفع الذرات إلى حالة عدم الحصر |m _F =1 ⟩يخرج المستوى المغناطيسي الفرعي مباشرةً من المصيدة. لذا، فإن خفض تردد الترددات الراديوية يُعادل خفض الخط المتقطع في الشكل، مما يُقلل فعليًا من عمق بئر الجهد. ولهذا السبب، يُشار غالبًا إلى مصدر الترددات الراديوية المستخدم لإزالة هذه الذرات النشطة باسم "سكين الترددات الراديوية"، لأنه يُخفض فعليًا ارتفاع جهد المصيدة لإزالة الذرات الأكثر نشاطًا منها، "قاطعًا" ذيل الطاقة العالية لتوزيع طاقة المصيدة. وقد استُخدمت هذه الطريقة على نطاق واسع لتبريد سحابة من ذرات الروبيديوم إلى ما دون درجة حرارة التكثيف الحرجة لتكوين أول مكثف بوز-أينشتاين ( BEC ) تم رصده تجريبيًا ^{[ 2 ]} .

رغم أن أول رصد لتكثيف بوز-أينشتاين تم في مصيدة ذرات مغناطيسية باستخدام التبريد التبخيري المدفوع بترددات الراديو، إلا أن مصائد ثنائيات الأقطاب الضوئية أصبحت الآن منصات أكثر شيوعًا لتحقيق التكثيف. تبدأ العملية في مصيدة ذرات مغناطيسية مصهورة (MOT)، حيث تُنقل الذرات الباردة المحصورة إلى بؤرة شعاع ليزر عالي الطاقة، مركز بدقة، وغير رنيني. يكون المجال الكهربائي لليزر عند بؤرته قويًا بما يكفي لحث عزم ثنائي القطب في الذرات، التي تنجذب بدورها إلى ذروة المجال الكهربائي عند بؤرة الليزر، مما يُنشئ فعليًا جهدًا حاصرًا يُبقيها عند بؤرة الشعاع.

يتناسب عمق جهد الحصر البصري في مصيدة ثنائية القطب البصرية (ODT) طرديًا مع شدة ضوء ليزر الحصر. لذا، يؤدي خفض قدرة شعاع ليزر الحصر إلى تقليل عمق جهد الحصر. في حالة التبخير المُحفَّز بترددات الراديو، يكون الارتفاع الفعلي لحاجز الجهد الذي يحصر الذرات ثابتًا أثناء عملية التبخير، لكن سكين ترددات الراديو يقلل فعليًا من عمق هذا الحاجز، كما ذُكر سابقًا. أما في المصيدة البصرية، فيُسهَّل التبخير عن طريق خفض قدرة الليزر، وبالتالي تقليل عمق جهد الحصر. ونتيجةً لذلك، تمتلك الذرات الأكثر سخونة في المصيدة طاقة حركية كافية لتجاوز جدران الحاجز والهروب من المصيدة، مما يقلل من متوسط ​​طاقة الذرات المتبقية كما وُصف سابقًا. على الرغم من أن أعماق المصائد في مركبات ODTs قد تكون ضحلة (في حدود الميلي كلفن، من حيث درجة الحرارة)، إلا أن بساطة إجراء التبخير الضوئي هذا قد ساعد في جعله شائعًا بشكل متزايد لتجارب BEC منذ أولى عروضه التوضيحية بعد فترة وجيزة من إنتاج BEC المغناطيسي. ^{[ 3 ]}

• مصيدة مغناطيسية بصرية
• تكثيف بوز-أينشتاين
• الملاقط الضوئية
• التبريد بالليزر
• تبريد سيزيف
• التبريد الراماني

• MH Anderson, JR Ensher, MR Matthews, CE Wieman and EA Cornell, Observations of Bose-Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor , Science , 269:198 – 201, July 14, 1995.
• JJ Tollett, CC Bradley, CA Sackett, and RG Hulet, Permanent magnet trap for cold toms , Phys. Rev. A 51, R22, 1995.
• Bouyer et al., RF-induced evaporative cooling and BEC in a high magnetic field , physics/0003050 , 2000.