Zeeman slower
અણુ ભૌતિકશાસ્ત્રમાં, ઝીમેન સ્લોવર એ એક વૈજ્ઞાનિક સાધન છે જેનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે અણુ ભૌતિકશાસ્ત્રમાં ગરમ અણુઓના કિરણને સેકન્ડ દીઠ કેટલાક મીટરની ઝડપે અને કેલ્વિનથી નીચેના તાપમાને ધીમું અને ઠંડુ કરવા માટે થાય છે. અણુ ભૌતિકશાસ્ત્રમાં ઉપયોગમાં લેવાતા ગેસ-તબક્કાના અણુઓ ઘણીવાર પકાવવાની નાની ભઠ્ઠીમાં નક્કર અથવા પ્રવાહી પરમાણુ નમૂનાને તાપમાનમાં ગરમ કરીને ઉત્પન્ન થાય છે જ્યાં વરાળનું દબાણ એટલું ઊંચું હોય છે કે નોંધપાત્ર સંખ્યામાં અણુઓ વાયુ તબક્કામાં હોય છે. આ અણુઓ સેંકડો મીટર/સેકન્ડના ક્રમમાં સરેરાશ ઝડપ અને મોટા વેગ વિતરણ (તેમના ઊંચા તાપમાનને કારણે) સાથે પકાવવાની નાની ભઠ્ઠીમાં એક છિદ્રમાંથી બહાર નીકળે છે. ઝીમેન સ્લોવર જ્યાં ગરમ અણુઓ પકાવવાની નાની ભઠ્ઠીમાંથી બહાર નીકળે છે તેની નજીક જોડાયેલ હોય છે અને તેનો ઉપયોગ ખૂબ જ ઓછા વેગ ફેલાવા (ઠંડક) સાથે 10 મીટર/સેકન્ડ (ધીમું) કરતા ઓછું કરવા માટે થાય છે. ઝીમેન સ્લોવરમાં સિલિન્ડરનો સમાવેશ થાય છે, જેના દ્વારા અણુ બીમ મુસાફરી કરે છે, એક પંપ લેસર જે બીમની દિશાના સંદર્ભમાં પ્રતિપ્રસારણ કરે છે, અને ચુંબકીય ક્ષેત્ર (સામાન્ય રીતે સોલેનોઇડ જેવી કોઇલ દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે) જે સિલિન્ડરની ધરી સાથે અવકાશી રીતે બદલાતી તીવ્રતા સાથે નિર્દેશ કરે છે. પંપ લેસર, જે અણુ સંક્રમણ સાથે નજીક-પ્રતિધ્વનિત હોવું જરૂરી છે, ડોપ્લર બીમના વેગ વિતરણમાં ચોક્કસ વેગ વર્ગને ધીમું કરે છે. અવકાશી રીતે બદલાતું ચુંબકીય ક્ષેત્ર ઝીમેનને ઘટતા ડોપ્લર શિફ્ટ સાથે મેળ કરવા માટે પ્રતિધ્વનિત આવર્તનને ખસેડવા માટે રચાયેલ છે કારણ કે અણુઓ નીચા વેગ તરફ ધીમું થાય છે જ્યારે તેઓ ઝીમેન દ્વારા ધીમે ધીમે પ્રસરે છે જે પંપ લેસરને સતત પ્રતિધ્વનિત થવા દે છે અને ધીમું બળ પ્રદાન કરે છે. ધ ઝીમેન સ્લોવર સૌપ્રથમ હેરોલ્ડ જે. મેટકાફ અને વિલિયમ ડી. ફિલિપ્સ દ્વારા વિકસાવવામાં આવ્યું હતું (જેમને 1997ના ભૌતિકશાસ્ત્રના નોબેલ પુરસ્કારનો 1/3 ભાગ ઝીમેન સ્લોવર પરના તેમના કામ માટે આપવામાં આવ્યો હતો). આ નીચા તાપમાનની સિદ્ધિએ બોસ-આઈન્સ્ટાઈન ઘનીકરણની પ્રાયોગિક અનુભૂતિ માટેનો માર્ગ મોકળો કર્યો, અને ઝીમેન ધીમું આવા ઉપકરણનો ભાગ બની શકે છે. સિદ્ધાંત ડોપ્લર કૂલિંગના સિદ્ધાંતો અનુસાર, બે-સ્તરના અણુ તરીકે રચાયેલ અણુને લેસરનો ઉપયોગ કરીને ઠંડુ કરી શકાય છે. જો તે ચોક્કસ દિશામાં આગળ વધે છે અને તેના સંક્રમણ સાથે પ્રતિધ્વનિત કાઉન્ટર-પ્રોપેગેટિંગ લેસર બીમનો સામનો કરે છે, તો તે ફોટોનને શોષી લે તેવી શક્યતા છે. આ ફોટોનનું શોષણ અણુને તે દિશામાં "કિક" આપે છે જે વેગ સંરક્ષણ સાથે સુસંગત હોય છે અને અણુને તેની ઉત્તેજિત સ્થિતિમાં લાવે છે. જો કે, આ સ્થિતિ અસ્થિર છે અને થોડા સમય પછી અણુ સ્વયંસ્ફુરિત ઉત્સર્જન દ્વારા તેની જમીનની સ્થિતિમાં પાછો ફરે છે (નેનોસેકન્ડના ક્રમમાં સમય પછી, ઉદાહરણ તરીકે રુબીડિયમ 87 માં ડી 2 સંક્રમણની ઉત્તેજિત સ્થિતિ 26.2 એનએસની જીવનકાળ ધરાવે છે). ફોટોન ફરીથી ઉત્સર્જિત થશે (અને અણુ ફરીથી તેની ગતિમાં વધારો કરશે), પરંતુ તેની દિશા અવ્યવસ્થિત હશે. જ્યારે એક અણુ પર મોટી સંખ્યામાં આ પ્રક્રિયાઓ લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે કોઈ જુએ છે કે શોષણ પ્રક્રિયા હંમેશા એક જ દિશામાં ઝડપ ઘટાડે છે (જેમ કે શોષિત ફોટોન એક દિશાસૂચક સ્રોતમાંથી આવે છે), જ્યારે ઉત્સર્જન પ્રક્રિયા અણુની ગતિમાં કોઈ ફેરફાર તરફ દોરી જતી નથી કારણ કે ઉત્સર્જનની દિશા અવ્યવસ્થિત છે. આમ લેસર બીમ દ્વારા અણુ અસરકારક રીતે ધીમું થઈ રહ્યું છે. તેમ છતાં ડોપ્લર અસરને કારણે આ મૂળભૂત યોજનામાં સમસ્યા છે. અણુનો પડઘો થોડો સાંકડો હોય છે (થોડા મેગાહર્ટ્ઝના ક્રમમાં), અને થોડા રીકોઇલ મોમેન્ટા દ્વારા તેની ગતિમાં ઘટાડો કર્યા પછી, તે હવે પંપ બીમ સાથે પડઘો પાડતો નથી કારણ કે તેની ફ્રેમમાં, લેસરની આવર્તન બદલાઈ ગઈ છે. ઝીમેન ધીમું એ હકીકતનો ઉપયોગ કરે છે કે ચુંબકીય ક્ષેત્ર આ સમસ્યાનો સામનો કરવા માટે ઝીમેન અસરનો ઉપયોગ કરીને અણુની પ્રતિધ્વનિ આવર્તનને બદલી શકે છે. દ્રવ્યમાન સાથે અણુનું સરેરાશ પ્રવેગક (સમય જતાં ઘણી ફોટોન શોષણ ઘટનાઓને કારણે), આવર્તન સાથે ચક્ર સંક્રમણ, અને રેખીય પહોળાઈ, જે તરંગ સંખ્યા અને તીવ્રતા (જ્યાં લેસરની સંતૃપ્તિ તીવ્રતા છે) ધરાવતા લેસર બીમની હાજરીમાં હોય છે. ચુંબકીય ક્ષેત્રની હાજરીમાં, અણુ સંક્રમણને ઝીમેન એક માત્રા દ્વારા સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવે છે (જ્યાં સંક્રમણની ચુંબકીય ક્ષણ છે). આમ, અણુઓની શૂન્ય-ક્ષેત્ર પ્રતિધ્વનિત આવર્તનમાંથી લેસરનું અસરકારક વિચ્છેદન એ છે કે જેના માટે અણુઓ સૌથી વધુ પ્રવેગનો અનુભવ કરશે, એટલે કે ક્યાં અને ક્યાં. સૌથી સામાન્ય અભિગમ એ છે કે આપણી પાસે ચુંબકીય ક્ષેત્રની રૂપરેખા હોવી જરૂરી છે જે દિશામાં બદલાય છે જેમ કે અણુઓ સતત પ્રવેગનો અનુભવ કરે છે કારણ કે તેઓ ધીમા અક્ષ સાથે ઉડાન ભરે છે. જોકે તાજેતરમાં એવું દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે એક અલગ અભિગમ વધુ સારા પરિણામો આપે છે. સતત ઘટાડાના અભિગમમાં આપણને મળે છેઃ મહત્તમ વેગ વર્ગ ક્યાં છે જે ધીમો થઈ જશે; વેગ વિતરણમાંના તમામ અણુઓ કે જે વેગ ધરાવે છે તે ધીમું થઈ જશે, અને વેગ ધરાવતા અણુઓ બિલકુલ ધીમું નહીં થાય. પરિમાણ (જે જરૂરી લેસરની તીવ્રતા નક્કી કરે છે) સામાન્ય રીતે 0.5 ની આસપાસ હોવાનું પસંદ કરવામાં આવે છે. જો ઝીમેનને ધીમી ગતિથી સંચાલિત કરવામાં આવે, તો ફોટોનને શોષ્યા પછી અને ઉત્તેજિત સ્થિતિમાં ગયા પછી, અણુ પછી લેસર બીમ (ઉત્તેજિત ઉત્સર્જનને કારણે) ની દિશામાં ફોટોનને પ્રાધાન્યપૂર્વક ફરીથી બહાર કાઢે છે, જે ધીમી પ્રક્રિયાનો પ્રતિકાર કરશે. અનુભૂતિ આપણે ઉપર બતાવ્યા પ્રમાણે અવકાશી રીતે અસમરૂપ ચુંબકીય ક્ષેત્રનું જરૂરી સ્વરૂપ આ સ્વરૂપ ધરાવે છે આ ક્ષેત્રને કેટલીક અલગ અલગ રીતે અનુભવી શકાય છે. સૌથી લોકપ્રિય ડિઝાઇનમાં જ્યાં ક્ષેત્ર સૌથી મજબૂત હોય (20-50 વાઇન્ડિંગ્સની આસપાસ) અને જ્યાં ક્ષેત્ર નબળું હોય ત્યાં થોડા વાઇન્ડિંગ્સ સાથે ઘણા સ્તરવાળી વાઇન્ડિંગ્સ સાથે વર્તમાન વહન વાયરને લપેટી લેવાની જરૂર પડે છે. વૈકલ્પિક ડિઝાઇનમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છેઃ એક સ્તરની કોઇલ જે વળાંકની પીચમાં બદલાય છે, વિવિધ રૂપરેખાંકનોમાં કાયમી ચુંબકની શ્રેણી. બહાર જતા અણુઓ ઝીમેન સ્લોવરનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે અણુઓને ચુંબકીય-ઓપ્ટિકલ જાળમાં ફસાવવા માટે તેમને ઠંડુ કરવા માટે પ્રારંભિક પગલા તરીકે થાય છે. આમ તે લગભગ 10 મીટર/સેકન્ડ (વપરાયેલ અણુના આધારે) ના અંતિમ વેગ પર લક્ષ્ય રાખે છે, જે પ્રતિ સેકન્ડ થોડાક સો મીટરના વેગ સાથે અણુઓના બીમથી શરૂ થાય છે. પહોંચવાની અંતિમ ઝડપ એ લાંબી ઝીમન ધીમી હોવાની તકનીકી મુશ્કેલી અને જાળમાં કાર્યક્ષમ લોડિંગ માટે મહત્તમ ઝડપ વચ્ચે સમાધાન છે. સુયોજનની મર્યાદા બીમની ત્રાંસા ગરમી હોઈ શકે છે. તે તેના સરેરાશ મૂલ્યોની આસપાસ ત્રણ અક્ષો સાથે ઝડપના વધઘટ સાથે જોડાયેલ છે, કારણ કે અંતિમ ઝડપ મોટી સંખ્યામાં પ્રક્રિયાઓ પર સરેરાશ હોવાનું કહેવાય છે. આ વધઘટ શોષાયેલા ફોટોનના અનિયમિત પુનઃ ઉત્સર્જનને કારણે બ્રાઉનિયન ગતિ ધરાવતા અણુ સાથે સંકળાયેલા છે. આગામી જાળમાં અણુઓને લોડ કરતી વખતે તેઓ મુશ્કેલીઓનું કારણ બની શકે છે. સંદર્ભો અણુ ભૌતિકશાસ્ત્ર કૂલિંગ ટેકનોલોજી વૈજ્ઞાનિક સાધનો