Raman cooling
અણુ ભૌતિકશાસ્ત્રમાં, રમન કૂલિંગ એ સબ-રીકોઇલ કૂલિંગ તકનીક છે જે ડોપ્લર કૂલિંગની મર્યાદાઓથી નીચે ઓપ્ટિકલ પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને અણુઓને ઠંડક આપવાની મંજૂરી આપે છે, ડોપ્લર કૂલિંગ અણુને આપવામાં આવેલા ફોટોનની રિકોઇલ ઊર્જા દ્વારા મર્યાદિત છે. આ યોજના સરળ ઓપ્ટિકલ કાકવીમાં અથવા કાકડીમાં કરી શકાય છે જ્યાં ઓપ્ટિકલ જાળીને સુપરઇમ્પોઝ કરવામાં આવી છે, જેને અનુક્રમે ફ્રી સ્પેસ રમન કૂલિંગ અને રમન સાઇડબેન્ડ કૂલિંગ કહેવામાં આવે છે. બંને તકનીકો અણુઓ દ્વારા લેસર પ્રકાશના રમન સ્કેટરિંગનો ઉપયોગ કરે છે. બે ફોટોન રમન પ્રક્રિયા અણુની બે અતિસંવેદનશીલ સ્થિતિઓ વચ્ચેનું સંક્રમણ બે લેસર બીમ દ્વારા શરૂ થઈ શકે છેઃ પ્રથમ બીમ અણુને વર્ચ્યુઅલ ઉત્તેજિત સ્થિતિમાં ઉત્તેજિત કરે છે (ઉદાહરણ તરીકે કારણ કે તેની આવર્તન વાસ્તવિક સંક્રમણ આવર્તન કરતા ઓછી હોય છે), અને બીજી બીમ અણુને અન્ય અતિસંવેદનશીલ સ્તરે ઉત્તેજિત કરે છે. બે બીમનો આવર્તન તફાવત બે હાયપરફાઇન સ્તરો વચ્ચેની સંક્રમણ આવર્તન જેટલો જ છે. લાંબા જીવનકાળ ધરાવતા સ્તરો વચ્ચેના રમણ સંક્રમણોની અત્યંત સાંકડી રેખા પહોળાઈને કારણે રમણ સંક્રમણો ઠંડક માટે સારા છે, અને સાંકડી રેખા પહોળાઈનો ઉપયોગ કરવા માટે બે લેસર બીમ વચ્ચેના આવર્તનમાં તફાવતને ખૂબ જ ચોક્કસપણે નિયંત્રિત કરવો આવશ્યક છે. આ પ્રક્રિયાનું ઉદાહરણ બે-ફોટોન રમન પ્રક્રિયાના ઉદાહરણ યોજનાકીય ચિત્રણમાં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. તે બે સ્તરો અને વચ્ચે સંક્રમણને સક્ષમ કરે છે. મધ્યવર્તી, વર્ચ્યુઅલ સ્તરને ડેશ્ડ રેખા દ્વારા રજૂ કરવામાં આવે છે, અને વાસ્તવિક ઉત્સાહિત સ્તરના સંદર્ભમાં લાલ-અલગ કરવામાં આવે છે. અહીં આવર્તન તફાવત બરાબર અને વચ્ચેના ઊર્જા તફાવત સાથે મેળ ખાય છે. મુક્ત જગ્યા રમન ઠંડક આ યોજનામાં, અણુઓના પૂર્વ-ઠંડુ વાદળ (જેનું તાપમાન થોડા દસ માઇક્રોકેલ્વિનનું હોય છે) રમન જેવી પ્રક્રિયાઓના કઠોળની શ્રેણીમાંથી પસાર થાય છે. બીમ કાઉન્ટર-પ્રોપેગેટિંગ છે, અને તેમની ફ્રીક્વન્સીઝ ઉપર વર્ણવવામાં આવી છે તે જ છે, સિવાય કે ફ્રીક્વન્સી હવે તેના સામાન્ય મૂલ્યના સંદર્ભમાં સહેજ લાલ-ડિટ્યુન (ડિટ્યુનિંગ) છે. આમ, પર્યાપ્ત વેગ સાથે લેસર 2 ના સ્ત્રોત તરફ આગળ વધતા અણુઓ ડોપ્લર અસરને કારણે રમન પલ્સ સાથે પડઘો પાડશે. તેઓ રાજ્ય માટે ઉત્સાહિત થશે, અને તેમના વેગના માપાંકને ઘટાડીને વેગ કિક મેળવશે. જો બે લેસરોની પ્રસાર દિશાઓ એકબીજા સાથે અદલાબદલી કરવામાં આવે, તો પછી વિરુદ્ધ દિશામાં આગળ વધતા અણુઓ ઉત્તેજિત થશે અને વેગ કિક મેળવશે જે તેમના વેગના મોડ્યુલસને ઘટાડશે. લેસરની પ્રસારની દિશાઓનું નિયમિતપણે આદાનપ્રદાન કરીને અને ડિટ્યુનિંગમાં ફેરફાર કરીને, કોઈ પણ વ્યક્તિ એવા તમામ અણુઓ ધરાવી શકે છે કે જેના માટે પ્રારંભિક વેગ સ્થિતિમાં સંતોષ આપે છે, જ્યારે અણુઓ કે જે હજુ પણ સ્થિતિમાં છે. એક નવી બીમ પછી ચાલુ કરવામાં આવે છે, જેની આવર્તન બરાબર અને વચ્ચેની સંક્રમણ આવર્તન છે. આ ઓપ્ટિકલી રીતે અણુઓને સ્થિતિમાંથી સ્થિતિમાં પંપ કરશે, અને આ પ્રક્રિયા દ્વારા વેગને રેન્ડમાઇઝ કરવામાં આવશે, જેમ કે અણુઓનો અપૂર્ણાંક વેગ પ્રાપ્ત કરશે. આ પ્રક્રિયાને ઘણી વખત પુનરાવર્તિત કરીને (મૂળ કાગળમાં આઠ, સંદર્ભો જુઓ), વાદળનું તાપમાન માઇક્રોકેલ્વિન કરતા ઓછું કરી શકાય છે. રમન સાઇડબેન્ડ કૂલિંગ એ નિયતકાલિક ક્ષમતાની કંપનશીલ જમીનની સ્થિતિમાં અણુઓ તૈયાર કરવાની અને તેમને પુનરાવર્તન મર્યાદાથી નીચે ઠંડક આપવાની એક પદ્ધતિ છે. તેને ઓપ્ટિકલ ડાયપોલ ટ્રેપની અંદર લાગુ કરી શકાય છે જ્યાં બાષ્પીભવન ઠંડકની તુલનામાં ફસાયેલા અણુઓના ઓછા નુકસાન સાથે ઠંડક પ્રાપ્ત કરી શકાય છે, બાષ્પીભવન ઠંડકની કાર્યક્ષમતા અને ગતિમાં સુધારો કરવા માટે મધ્ય-તબક્કાની ઠંડક તરીકે અમલમાં મૂકી શકાય છે, અને સામાન્ય રીતે ઉચ્ચ ઘનતા પર નીચા તાપમાને લેસર ઠંડકની પરંપરાગત મર્યાદાઓ પ્રત્યે અત્યંત અસંવેદનશીલ હોય છે. તે ઠંડક આયનો તેમજ સીઝિયમ, પોટેશિયમ અને લિથિયમ વગેરે જેવા અણુઓ પર સફળતાપૂર્વક લાગુ કરવામાં આવ્યું છે. જનરલ રમન સાઇડબેન્ડ કૂલિંગ સ્કીમ રમન સાઇડબેન્ડ કૂલિંગની મુખ્ય પદ્ધતિ બે ફોટોન રમન પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ એક હાર્મોનિક ઓસિલેટર ઊર્જાથી અલગ સ્તરને જોડવા માટે કરે છે. અણુઓ તેમની જમીનની સ્થિતિમાં ન હોવાથી, તેઓ હાર્મોનિક ઓસિલેટરના ઉત્તેજિત સ્તરોમાંના એકમાં ફસાઈ જશે. રમન સાઇડબેન્ડ કૂલિંગનો ઉદ્દેશ અણુઓને હાર્મોનિક પોટેન્શિયલની જમીનની સ્થિતિમાં મૂકવાનો છે. યોજનાના સામાન્ય ઉદાહરણ તરીકે, રમન બીમ (સમાવિષ્ટ આકૃતિમાં લાલ) એ બે અલગ અલગ ફોટોન (અને) છે જે રેખીય રીતે અલગ રીતે ધ્રુવીકૃત થાય છે જેમ કે આપણી પાસે કોણીય વેગમાં ફેરફાર થાય છે, જે તરફ સ્થળાંતર કરે છે, પરંતુ કંપનશીલ સ્તરોથી નીચે જાય છે. પછી, આપણે એક જ બીમ (સમાવિષ્ટ આકૃતિમાં વાદળી) સાથે રિપમ્પિંગનો ઉપયોગ કરીએ છીએ જે કંપનના સ્તરોમાં ફેરફાર કરતું નથી (એટલે કે. આપણને અંદર રાખીને, આમ સાઇટમાં હાર્મોનિક સંભવિતતાની સ્થિતિને ઘટાડે છે. ઓપ્ટિકલ જાળીમાં ડીજનરેટ રમન સાઇડબેન્ડ ઠંડક આ વધુ ચોક્કસ ઠંડક યોજના ચુંબક-ઓપ્ટિકલ જાળમાં અણુઓથી શરૂ થાય છે, જેમાં અણુઓને તેમની કંપનશીલ જમીનની સ્થિતિમાં લાવવા માટે ઓપ્ટિકલ જાળીની અંદર રમન સંક્રમણનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. ઓપ્ટિકલ જાળી એ કાઉન્ટર-પ્રોપેગેટિંગ બીમની દખલ દ્વારા રચાયેલી અવકાશી સામયિક ક્ષમતા છે. એક ઓપ્ટિકલ જાળીને એવી રીતે આગળ વધારવામાં આવે છે કે પછી અણુઓનો એક મહત્વપૂર્ણ ભાગ ફસાઈ જાય છે. જો જાળીના લેસરો પૂરતા શક્તિશાળી હોય, તો દરેક સ્થળને હાર્મોનિક છટકું તરીકે તૈયાર કરી શકાય છે. ઓપ્ટિકલ જાળીએ અણુઓ માટે ચુસ્ત બંધન પૂરું પાડવું જોઈએ, જેથી તેઓ વેરવિખેર પ્રતિધ્વનિત ફોટોન સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતા અટકાવી શકે અને તેમાંથી ગરમીને દબાવી શકે. આને લેમ્બ-ડિક પરિમાણની દ્રષ્ટિએ માપી શકાય છે, જે આંતરક્રિયા કરતા લેસર પ્રકાશની તરંગલંબાઇ સાથે ગ્રાઉન્ડ સ્ટેટ વેવ-પેકેટ કદનો ગુણોત્તર આપે છે. ઓપ્ટિકલ લેટીસમાં, ફોટોન રીકોઇલ એનર્જી અને વાઇબ્રેશનલ મોડ્સમાં એનર્જી સેપરેશનના ગુણોત્તર તરીકે અર્થઘટન કરી શકાય છેઃ જ્યાં રીકોઇલ એનર્જી છે અને વાઇબ્રેશનલ એનર્જી છે. તે લેમ્બ-ડિક મર્યાદા છે. આ શાસનમાં, કંપન ઊર્જા પુનરાવર્તન ઊર્જા કરતાં મોટી હોય છે, અને વેરવિખેર ફોટોન અણુની કંપન સ્થિતિને બદલી શકતા નથી. ખાસ કરીને ડીજનરેટ રમન સાઇડબેન્ડ કૂલિંગ માટે, આપણે બે સ્તરના અણુને ધ્યાનમાં લઈ શકીએ છીએ, જેની જમીનની સ્થિતિ ક્વોન્ટમ સંખ્યા ધરાવે છે, જેમ કે તે ત્રણ ગણો અથવા સાથે ડીજનરેટ થાય છે. એક ચુંબકીય ક્ષેત્ર ઉમેરવામાં આવે છે, જે ઝીમન અસરને કારણે અધોગતિને દૂર કરે છે. તેનું મૂલ્ય બરાબર એવી રીતે ટ્યુન કરવામાં આવે છે કે ઝીમેન અને અને વચ્ચે અને વચ્ચે વિભાજન કરે છે જે જાળી દ્વારા બનાવેલ હાર્મોનિક પોટેન્શિયલમાં બે સ્તરોના અંતરની બરાબર છે. રમન પ્રક્રિયાઓ દ્વારા, અણુને એવી સ્થિતિમાં સ્થાનાંતરિત કરી શકાય છે જ્યાં ચુંબકીય ક્ષણમાં એકનો ઘટાડો થયો હોય અને કંપનની સ્થિતિમાં પણ એકનો ઘટાડો થયો હોય (ઉપરની છબી પર લાલ તીર). તે પછી, જે અણુઓ જાળીની ક્ષમતાની સૌથી ઓછી કંપનશીલ સ્થિતિમાં હોય છે (પરંતુ સાથે) તેમને ઓપ્ટિકલી રીતે સ્થિતિમાં પમ્પ કરવામાં આવે છે (અને પ્રકાશ કિરણોની ભૂમિકા). પંપીંગ બીમ ફ્રીક્વન્સીઝના સંદર્ભમાં અણુઓનું તાપમાન પૂરતું ઓછું હોવાથી, પંપીંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન અણુ તેની કંપનશીલ સ્થિતિમાં ફેરફાર નહીં કરે તેવી શક્યતા છે. આમ તે ઓછી કંપનશીલ સ્થિતિમાં સમાપ્ત થાય છે, જે રીતે તેને ઠંડુ કરવામાં આવે છે. દરેક તબક્કે નીચલા કંપનશીલ સ્થિતિમાં આ કાર્યક્ષમ સ્થાનાંતરણ સુધી પહોંચવા માટે, લેસરના પરિમાણો, એટલે કે. શક્તિ અને સમય, કાળજીપૂર્વક ટ્યુન થવો જોઈએ. સામાન્ય રીતે, આ પરિમાણો વિવિધ કંપન અવસ્થાઓ માટે અલગ અલગ હોય છે કારણ કે જોડાણની શક્તિ (રવિ આવર્તન) કંપન સ્તર પર આધારિત હોય છે. આ નિષ્કપટ ચિત્રમાં વધારાની ગૂંચવણ ફોટોનના પુનરાવર્તનમાંથી ઉદ્ભવે છે, જે આ સંક્રમણને ચલાવે છે. અગાઉ ઉલ્લેખિત લેમ્બ-ડિક શાસનમાં ઠંડક કરીને છેલ્લી ગૂંચવણને સામાન્ય રીતે ટાળી શકાય છે, જ્યાં અણુ ઓપ્ટિકલ જાળીમાં એટલી મજબૂત રીતે ફસાયેલો હોય છે કે તે ફોટોન રિકોલ્સને કારણે તેની ગતિને અસરકારક રીતે બદલતો નથી. પરિસ્થિતિ મોસ્બોઅર અસર જેવી જ છે. આ ઠંડક યોજના માત્ર ઓપ્ટિકલ તકનીકોનો ઉપયોગ કરીને નીચા તાપમાને અણુઓની ઊંચી ઘનતા મેળવવાની મંજૂરી આપે છે. દાખલા તરીકે, સીઝિયમનું બોસ-આઈન્સ્ટાઈન ઘનીકરણ પ્રથમ વખત એક પ્રયોગમાં પ્રાપ્ત થયું હતું જેમાં રમન સાઇડબેન્ડ કૂલિંગનો ઉપયોગ તેના પ્રથમ પગલા તરીકે કરવામાં આવ્યો હતો. તાજેતરના પ્રયોગોએ દર્શાવ્યું છે કે તે સીધા બોસ-આઈન્સ્ટાઈન ઘનીકરણ પ્રાપ્ત કરવા માટે પણ પૂરતું છે. લેસર કૂલિંગ સબ-ડોપ્લર કૂલિંગ સંદર્ભો અણુ ભૌતિકશાસ્ત્ર કૂલિંગ ટેકનોલોજી પણ જુઓ.