التبريد دون مستوى دوبلر

في الفيزياء الذرية والجزيئية والبصرية ، يُعدّ التبريد دون الدوبلري نوعًا من تقنيات التبريد بالليزر التي تُخفّض درجة حرارة الذرات والجزيئات إلى ما دون حدّ التبريد الدوبلري . في التطبيقات العملية، يُحدّ التبريد الدوبلري بعرض الخط الطيفي الطبيعي الواسع لأشعة الليزر المستخدمة في التبريد. ^{[ 1 ]} ومع ذلك، وبغض النظر عن الانتقال المستخدم، فإنّ لعمليات التبريد الدوبلري حدًّا جوهريًا للتبريد يتميّز بارتداد الزخم الناتج عن انبعاث فوتون من الجسيم. يُطلق على هذا الحدّ اسم درجة حرارة الارتداد ، وعادةً ما يكون أقل بكثير من الحدّ المذكور أعلاه والمُعتمد على عرض الخط الطيفي. باستخدام طرق التبريد بالليزر التي تتجاوز تقريب المستويين للذرات، يُمكن الوصول إلى درجات حرارة أقل من هذا الحدّ.

يُقدّم الضخ الضوئي بين المستويات الفرعية التي تُشكّل الحالة الذرية آليةً جديدةً لتحقيق درجات حرارة منخفضة للغاية. وتتمثل السمة الأساسية للتبريد دون مستوى دوبلر في عدم ثبات اتجاه الذرات المتحركة بالنسبة لحقل الضوء. ففي حالة حقل ضوئي يعتمد على الموقع، يتم تعديل اتجاه الذرات المتحركة بواسطة الضخ الضوئي ليتناسب مع ظروف حقل الضوء. ومع ذلك، لا تتكيف الذرات المتحركة فورًا مع حقل الضوء أثناء حركتها، إذ يتأخر اتجاهها دائمًا عن اتجاه الذرات الثابتة، وهو ما يُحدد الامتصاص التفاضلي المعتمد على السرعة، وبالتالي التبريد. وباستخدام عملية التبريد هذه، يُمكن الحصول على درجات حرارة أقل. ^{[ 2 ]}

استُخدمت طرقٌ متنوعة، منفردةً أو مجتمعةً في سلسلة تجريبية، لتحقيق تبريد دون مستوى دوبلر. إحدى هذه الطرق لإنتاج ضخ ضوئي يعتمد على الموقع هي تبريد تدرج الاستقطاب ، حيث يؤدي تراكب شعاعي ليزر متعاكسي الانتشار ذوي استقطاب متعامد إلى حقل ضوئي يتغير استقطابه على مقياس الطول الموجي. ومن الآليات المحددة ضمن تبريد تدرج الاستقطاب تبريد سيزيف ، حيث تتسلق الذرات "تلالًا كامنة" ناتجة عن تفاعل حالات طاقتها الداخلية مع حقول ضوئية متغيرة مكانيًا. كما يتميز الحقل الضوئي في دبس السكر الضوئي ثلاثي الأبعاد بتدرج استقطاب.

تشمل الطرق الأخرى للتبريد دون حد دوبلر التبريد التبخيري ، والتبريد باستخدام رامان في الفضاء الحر ، والتبريد باستخدام النطاق الجانبي لرامان، والتبريد باستخدام النطاق الجانبي المُحلَّل ، والتبريد باستخدام الشفافية المُستحثة كهرومغناطيسيًا (EIT)، واستخدام مصيدة مغناطيسية بصرية معتمة. يمكن استخدام هذه التقنيات بناءً على الحد الأدنى لدرجة الحرارة المطلوبة ومواصفات كل جهاز. على سبيل المثال، استُخدمت تقنية زمن الطيران الضوئية باستخدام دبس السكر لتبريد الصوديوم (حد دوبلر).${\displaystyle T_{D}\approx 240\ \mu K}$) ل${\textstyle 43\pm 20\ \mu K}$[ ^{3 ]​}

تشمل دوافع التبريد دون مستوى دوبلر تبريد الحالة الأرضية الحركية، وهو شرط للحفاظ على الدقة أثناء العديد من عمليات الحوسبة الكمومية .

تُستخدم المصيدة المغناطيسية البصرية (MOT) عادةً لتبريد المواد وحجزها باستخدام تبريد دوبلر. في عملية تبريد دوبلر، تمتص الذرات ضوءًا أحمر غير مضبوط التردد من اتجاه معين، ثم تعيد إصداره في اتجاه عشوائي. تتحلل إلكترونات الذرات إلى حالات أرضية بديلة إذا كان للذرات أكثر من مستوى طاقة أرضية فائق الدقة. في حالة وجود جميع الذرات في حالات أرضية أخرى غير حالات تبريد دوبلر، لا يستطيع النظام تبريد الذرات أكثر من ذلك.

لحل هذه المشكلة، يُسلط ضوء إعادة الضخ على النظام لإعادة توزيع الذرات واستئناف عملية تبريد دوبلر. سيؤدي ذلك إلى انبعاث كميات أكبر من الفلورة من الذرات، والتي يمكن أن تمتصها ذرات أخرى، مما يُشكل قوة تنافر. نتيجةً لهذه المشكلة، يرتفع حد دوبلر، ويصبح من السهل تحقيقه. عند ظهور بقعة داكنة أو خطوط على شكل ضوء إعادة الضخ، لن تُثار الذرات في وسط الغاز الذري بواسطة هذا الضوء، مما يُقلل من قوة التنافر مقارنةً بالحالات السابقة.

يُمكن أن يُساعد هذا في تبريد الذرات إلى درجة حرارة أقل من حد التبريد النموذجي لتأثير دوبلر. ويُطلق على هذه الظاهرة اسم المصيدة المغناطيسية البصرية المظلمة (DMOT). ^{[ 4 ]}

يُحدد حد تبريد دوبلر بموازنة التسخين الناتج عن تغيرات الزخم. سيؤدي تطبيق نتائج معادلة فوكر-بلانك على العمليات دون مستوى دوبلر إلى درجة حرارة نهائية منخفضة للغاية، حيث يصبح معامل التخميد كبيرًا للغاية. هناك بعض الاعتبارات الإضافية التي يجب أخذها في الحسبان. على سبيل المثال، عندما يتشتت فوتون، يُفترض أن يكون تغير زخم الذرة صغيرًا نسبيًا مقارنةً بزخمها الكلي، ولكن عندما تتباطأ الذرة إلى حوالي 10 ...${\textstyle v_{r}={\frac {\hbar k}{M}}}$يصبح تغير الزخم كبيرًا. وبالتالي، عند السرعات المنخفضة، سيترك الانبعاث التلقائي الذرة بزخم متبقٍ يبلغ حوالي${\textstyle \hbar k}$، مما يحدد الحد الأدنى لمقياس السرعة. توزيع السرعة حول${\textstyle v_{r}}$لا يمكن وصفها بشكل جيد بواسطة معادلة فوكر بلانك، وهذا يحدد حدًا أدنى بديهيًا لدرجة الحرارة. ^{[ 2 ]}

علاوة على ذلك، يعتمد تبريد تدرج الاستقطاب على القدرة على تحديد مواقع الذرات على نطاق من${\textstyle \sim \lambda /{2\pi }}$، أين${\textstyle \lambda }$يمثل طول موجة الضوء. وبسبب مبدأ عدم اليقين، يفرض هذا التموضع أيضًا حدًا أدنى لانتشار الزخم.${\textstyle \sim \hbar k}$وهذا يؤدي أيضاً إلى وضع حد لمدى إمكانية تبريد الذرات.

تم اختبار هذه النظريات في الحسابات التحليلية والرقمية الواردة في المرجع ^{[ 5 ]} باستخدام نموذج تدرج الاستقطاب أحادي البعد. وقد تبين أنه في حالة الانحراف الكبير، يعتمد توزيع السرعة فقط على معامل لا بُعدي، وهو إزاحة الضوء للحالة الأرضية مقسومة على طاقة الارتداد. ووجد أن الحد الأدنى للطاقة الحركية يبلغ حوالي 40 ضعف طاقة الارتداد.