Zeeman slower
परमाणु भौतिकी में, ज़ीमैन स्लोवर एक वैज्ञानिक उपकरण है जिसका उपयोग आमतौर पर परमाणु भौतिकी में गर्म परमाणुओं की किरण को कई मीटर प्रति सेकंड की गति और केल्विन से नीचे के तापमान तक धीमा और ठंडा करने के लिए किया जाता है। परमाणु भौतिकी में उपयोग किए जाने वाले गैस-चरण परमाणु अक्सर एक ठोस या तरल परमाणु नमूने को तापमान तक गर्म करके एक ओवन में उत्पन्न होते हैं जहां वाष्प का दबाव इतना अधिक होता है कि पर्याप्त संख्या में परमाणु गैस चरण में होते हैं। ये परमाणु सैकड़ों मीटर/सेकंड और बड़े वेग वितरण (उनके उच्च तापमान के कारण) के क्रम पर औसत गति के साथ ओवन में एक छेद से बाहर निकलते हैं। ज़ीमैन स्लोवर उस जगह के करीब जुड़ा होता है जहां गर्म परमाणु ओवन से बाहर निकलते हैं और बहुत कम वेग प्रसार (शीतलन) के साथ उन्हें 10 मीटर/सेकंड (धीमा) से कम करने के लिए उपयोग किया जाता है। एक ज़ीमैन स्लोवर में एक सिलेंडर होता है, जिसके माध्यम से एक परमाणु बीम यात्रा करता है, एक पंप लेजर जो बीम की दिशा के संबंध में काउंटरप्रोपैगेट करता है, और एक चुंबकीय क्षेत्र (आमतौर पर एक सोलनॉइड जैसी कुंडल द्वारा उत्पादित) जो सिलेंडर के अक्ष के साथ एक स्थानिक रूप से भिन्न परिमाण के साथ इंगित करता है। पंप लेजर, जिसे परमाणु संक्रमण के साथ निकट-अनुनाद होने की आवश्यकता होती है, डॉप्लर बीम के वेग वितरण के भीतर एक निश्चित वेग वर्ग को धीमा कर देता है। स्थानिक रूप से भिन्न-भिन्न चुंबकीय क्षेत्र को ज़ीमैन को प्रतिध्वनित आवृत्ति को घटते हुए डॉप्लर बदलाव से मेल खाने के लिए स्थानांतरित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है क्योंकि परमाणु कम वेग तक धीमा हो जाते हैं जबकि वे ज़ीमैन के माध्यम से धीरे-धीरे फैलते हैं जिससे पंप लेजर लगातार प्रतिध्वनित होता है और एक धीमा बल प्रदान करता है। द ज़ीमैन स्लोवर को पहली बार हेरोल्ड जे. मेटकाफ और विलियम डी. फिलिप्स द्वारा विकसित किया गया था (जिन्हें ज़ीमैन स्लोवर पर उनके काम के लिए आंशिक रूप से भौतिकी में 1997 के नोबेल पुरस्कार के एक तिहाई से सम्मानित किया गया था)। इन कम तापमानों की उपलब्धि ने बोस-आइंस्टीन संघनन की प्रयोगात्मक प्राप्ति का मार्ग प्रशस्त किया, और एक धीमी गति वाला ज़ीमैन इस तरह के उपकरण का हिस्सा हो सकता है। सिद्धांत डॉपलर शीतलन के सिद्धांतों के अनुसार, दो-स्तरीय परमाणु के रूप में मॉडल किए गए परमाणु को लेजर का उपयोग करके ठंडा किया जा सकता है। यदि यह एक विशिष्ट दिशा में आगे बढ़ता है और अपने संक्रमण के साथ प्रतिध्वनित एक प्रति-प्रसारक लेजर किरण का सामना करता है, तो यह एक फोटॉन को अवशोषित करने की बहुत संभावना है। इस फोटॉन का अवशोषण परमाणु को उस दिशा में एक "किक" देता है जो संवेग संरक्षण के अनुरूप है और परमाणु को अपनी उत्तेजित स्थिति में लाता है। हालांकि, यह अवस्था अस्थिर है और कुछ समय बाद परमाणु स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन के माध्यम से अपनी जमीनी स्थिति में वापस क्षय हो जाता है (नैनोसेकंड के क्रम पर एक समय के बाद, उदाहरण के लिए रूबिडियम 87 में डी2 संक्रमण की उत्तेजित स्थिति का जीवनकाल 26.2 एनएस है)। फोटॉन को फिर से उत्सर्जित किया जाएगा (और परमाणु फिर से अपनी गति बढ़ाएगा), लेकिन इसकी दिशा यादृच्छिक होगी। जब एक परमाणु पर बड़ी संख्या में इन प्रक्रियाओं का औसत लगाया जाता है, तो यह देखा जाता है कि अवशोषण प्रक्रिया हमेशा एक ही दिशा में गति को कम करती है (क्योंकि अवशोषित फोटॉन एक एकदिशात्मक स्रोत से आता है), जबकि उत्सर्जन प्रक्रिया से परमाणु की गति में कोई परिवर्तन नहीं होता है क्योंकि उत्सर्जन की दिशा यादृच्छिक होती है। इस प्रकार लेजर बीम द्वारा परमाणु को प्रभावी रूप से धीमा किया जा रहा है। फिर भी डॉपलर प्रभाव के कारण इस मूल योजना में एक समस्या है। परमाणु का अनुनाद अपेक्षाकृत संकीर्ण है (कुछ मेगाहर्ट्ज़ के क्रम पर), और कुछ पुनरावृत्ति संवेग द्वारा इसकी गति को कम करने के बाद, यह अब पंप बीम के साथ अनुनाद में नहीं है क्योंकि इसके ढांचे में, लेजर की आवृत्ति स्थानांतरित हो गई है। ज़ीमैन स्लोवर इस तथ्य का उपयोग करता है कि एक चुंबकीय क्षेत्र इस समस्या से निपटने के लिए ज़ीमैन प्रभाव का उपयोग करके एक परमाणु की अनुनाद आवृत्ति को बदल सकता है। द्रव्यमान के साथ एक परमाणु का औसत त्वरण (समय के साथ कई फोटॉन अवशोषण घटनाओं के कारण), आवृत्ति के साथ एक साइक्लिंग संक्रमण, और लाइनविड्थ, जो कि एक लेजर बीम की उपस्थिति में है जिसमें तरंग संख्या, और तीव्रता (जहां लेजर की संतृप्ति तीव्रता है) है। एक चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में, परमाणु संक्रमण ज़ीमैन को एक राशि से स्थानांतरित किया जाता है (जहां संक्रमण का चुंबकीय क्षण होता है)। इस प्रकार, परमाणुओं की शून्य-क्षेत्र अनुनाद आवृत्ति से लेजर का प्रभावी विच्छेदन वह है जिसके लिए परमाणु सबसे बड़े त्वरण का अनुभव करेंगे, अर्थात् कहाँ और कहाँ। सबसे आम दृष्टिकोण यह है कि हमारे पास एक चुंबकीय क्षेत्र प्रोफ़ाइल की आवश्यकता होती है जो उस दिशा में भिन्न होती है जैसे कि परमाणु एक निरंतर त्वरण का अनुभव करते हैं क्योंकि वे धीमी गति के अक्ष के साथ उड़ते हैं। हालाँकि, हाल ही में यह दिखाया गया है कि एक अलग दृष्टिकोण से बेहतर परिणाम मिलते हैं। निरंतर मंदी के दृष्टिकोण में हम पाते हैंः अधिकतम वेग वर्ग कहाँ है जो धीमा हो जाएगा; वेग वितरण में सभी परमाणु जिनमें वेग होंगे वे धीमे हो जाएंगे, और वेग वाले परमाणु बिल्कुल भी धीमे नहीं होंगे। पैरामीटर (जो आवश्यक लेजर तीव्रता निर्धारित करता है) को आम तौर पर. 5 के आसपास होने के लिए चुना जाता है। यदि एक ज़ीमैन को धीमी गति से संचालित किया जाना था, तो एक फोटॉन को अवशोषित करने और उत्तेजित अवस्था में जाने के बाद, परमाणु तब अधिमानतः लेजर बीम (उत्तेजित उत्सर्जन के कारण) की दिशा में एक फोटॉन को फिर से उत्सर्जित करेगा जो धीमी प्रक्रिया का विरोध करेगा। जैसा कि हमने ऊपर दिखाया है, स्थानिक रूप से असमरूपी चुंबकीय क्षेत्र के आवश्यक रूप का यह रूप है इस क्षेत्र को कुछ अलग तरीकों से प्राप्त किया जा सकता है। सबसे लोकप्रिय डिजाइन के लिए कई स्तरित वाइंडिंग के साथ एक वर्तमान ले जाने वाले तार को लपेटने की आवश्यकता होती है जहां क्षेत्र सबसे मजबूत होता है (20-50 वाइंडिंग के आसपास) और कुछ वाइंडिंग जहां क्षेत्र कमजोर होता है। वैकल्पिक डिजाइनों में शामिल हैंः एक परत कुंडल जो घुमावदार पिच में भिन्न होती है, विभिन्न विन्यासों में स्थायी चुंबकों की एक श्रृंखला। बाहर जाने वाले परमाणु ज़ीमैन स्लोवर का उपयोग आमतौर पर परमाणुओं को ठंडा करने के लिए एक प्रारंभिक चरण के रूप में किया जाता है ताकि उन्हें एक चुंबकीय-ऑप्टिकल जाल में फंसाया जा सके। इस प्रकार इसका लक्ष्य लगभग 10 मीटर/सेकंड (उपयोग किए गए परमाणु के आधार पर) के अंतिम वेग पर है, जो कुछ सौ मीटर प्रति सेकंड के वेग के साथ परमाणुओं की किरण से शुरू होता है। अंतिम गति तक पहुँचने के लिए एक लंबी ज़ीमैन धीमी होने की तकनीकी कठिनाई और जाल में एक कुशल लोडिंग के लिए अनुमत अधिकतम गति के बीच एक समझौता है। सेटअप की एक सीमा बीम का अनुप्रस्थ ताप हो सकती है। यह अपने औसत मूल्यों के आसपास तीन अक्षों के साथ गति के उतार-चढ़ाव से जुड़ा हुआ है, क्योंकि अंतिम गति को बड़ी संख्या में प्रक्रियाओं में औसत कहा जाता था। ये उतार-चढ़ाव अवशोषित फोटॉन के यादृच्छिक पुनः उत्सर्जन के कारण ब्राउनियन गति वाले परमाणु से जुड़े होते हैं। वे अगले जाल में परमाणुओं को लोड करते समय कठिनाइयों का कारण बन सकते हैं। संदर्भ परमाणु भौतिकी शीतलन प्रौद्योगिकी वैज्ञानिक उपकरण