تبريد سيزيف

يؤدي الانتشار المعاكس لشعاعي ليزر مستقطبين بشكل متعامد إلى توليد موجة مستقرة ذات استقطاب متدرج بين${\textstyle \sigma -}$(ضوء مستقطب دائريًا يساريًا)، خطي، و${\textstyle \sigma +}$(ضوء مستقطب دائريًا يمينًا) على طول الموجة المستقرة. لاحظ أن هذا الانتشار المعاكس لا يُنتج موجة مستقرة في الشدة، بل في الاستقطاب فقط. يحدث هذا التدرج على نطاق طولي من${\textstyle {\frac {\lambda }{2}}}$ثم تتكرر العملية، معكوسة حول المستوى yz. عند المواضع التي يكون فيها فرق الطور بين الحزمتين المتعاكستين في الانتشار هو${\textstyle {\frac {\pi }{2}}}$يكون الاستقطاب دائريًا، ويكون خطيًا في المناطق التي لا يوجد فيها فرق في الطور. أما في المناطق المتوسطة، فيوجد تدرج في شكل المجال المتراكب.

لنأخذ على سبيل المثال ذرة ذات زخم زاوي في الحالة الأرضية$J={\frac {1}{2}}}$والزخم الزاوي للحالة المثارة${\textstyle J'={\frac {3}{2}}}$. ال${\textstyle M_{J}}$المستويات الفرعية للحالة الأرضية هي

$${\displaystyle M_{J}=-{\frac {1}{2}},+{\frac {1}{2}}}$$

و${\textstyle M_{J'}}$مستويات الحالة المثارة هي

$${\displaystyle M_{J'}=-{\frac {3}{2}},-{\frac {1}{2}},+{\frac {1}{2}},+{\frac {3}{2}}}$$

في حالة انعدام المجال، تكون جميع مستويات الطاقة هذه لكل قيمة J متساوية في الطاقة، ولكن في وجود مجال ضوئي مستقطب دائريًا، فإن تأثير أوتلر-تاونز (انزياح ستارك للتيار المتردد أو انزياح الضوء) يزيل هذا التساوي في الطاقة. ويعتمد مدى واتجاه إزالة هذا التساوي في الطاقة على استقطاب الضوء. ويُستغل هذا الاعتماد على الاستقطاب لتطبيق قوة إبطاء تعتمد على الموقع على الذرة.

لكي يحدث تأثير تبريد، يجب أن يكون هناك تبديد للطاقة. تنص قواعد الاختيار لانتقالات ثنائي القطب على أنه في هذا المثال،$${\displaystyle \Delta J=-1,+1}$$و$${\displaystyle \Delta M_{J}=0,-1,+1}$$بكثافة نسبية تُعطى بمربع معاملات كليبيش-غوردان . لنفترض أننا نبدأ بذرة واحدة في الحالة الأرضية،${\textstyle J={\frac {1}{2}}}$، في${\textstyle M_{J}={\frac {1}{2}}}$الولاية في${\textstyle z=0}$بسرعة في اتجاه +z.

يتم الآن ضخ الذرة إلى${\textstyle M_{J'}=-{\frac {1}{2}}}$الحالة المثارة، حيث ينبعث منها فوتون تلقائيًا وتتحلل إلى${\textstyle M_{J}=-{\frac {1}{2}}}$الحالة الأرضية. المفهوم الأساسي هو أنه في وجود${\textstyle \sigma -}$الضوء، والتحول الحاد للتيار المتردد يقلل${\textstyle M_{J}=-{\frac {1}{2}}}$أكثر طاقة من${\textstyle M_{J}=+{\frac {1}{2}}}$الحالة. في الانتقال من${\textstyle M_{J}=+{\frac {1}{2}}}$إلى${\textstyle M_{J}=-{\frac {1}{2}}}$في هذه الحالة، تكون الذرة قد فقدت بالفعل${\textstyle U_{0}}$في مجال الطاقة، حيث$${\displaystyle U_{0}=E_{M_{J}=+{\frac {1}{2}}}-E_{M_{J}=-{\frac {1}{2}}}}$$ يساوي تقريبًا تحول ستارك AC$${\displaystyle U_{0}\simeq {\frac {\hbar \Omega ^{2}}{4\delta }}}$$ حيث أوميغا هي تردد رابي ودلتا هي الانحراف.

في هذه المرحلة، تتحرك الذرة في الاتجاه +z بسرعة معينة، وتنتقل في النهاية إلى منطقة ذات${\textstyle \sigma +}$الضوء. الذرة، لا تزال في${\textstyle M_{J}=-{\frac {1}{2}}}$الولاية التي تم ضخها فيها، تشهد الآن تحولًا معاكسًا في AC Stark كما حدث في${\textstyle \sigma }$- الضوء، و${\textstyle M_{J}={\frac {1}{2}}}$أصبحت الحالة الآن أقل طاقة من${\textstyle M_{J}=-{\frac {1}{2}}}$يتم ضخ الذرة إلى الحالة.${\textstyle M_{J'}={\frac {1}{2}}}$الحالة المثارة، حيث ينبعث منها فوتون تلقائيًا وتتحلل إلى${\textstyle M_{J}=+{\frac {1}{2}}}$كما في السابق، انخفض مستوى الطاقة هذا بفعل إزاحة ستارك للتيار المتردد، وتفقد الذرة مستوى طاقة آخر.${\textstyle U_{0}}$من الطاقة.

تعمل الدورات المتكررة من هذا النوع على تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كامنة، وتفقد هذه الطاقة الكامنة عبر الفوتون المنبعث أثناء الضخ الضوئي.