Raman cooling
परमाणु भौतिकी में, रमन कूलिंग एक उप-रैकॉइल कूलिंग तकनीक है जो डॉपलर कूलिंग की सीमाओं से नीचे ऑप्टिकल विधियों का उपयोग करके परमाणुओं को ठंडा करने की अनुमति देती है, डॉपलर कूलिंग एक परमाणु को दिए गए फोटॉन की पुनरावृत्ति ऊर्जा द्वारा सीमित होती है। इस योजना को सरल ऑप्टिकल शीरा में या शीरा में किया जा सकता है जहां एक ऑप्टिकल जाली को अधिरोपित किया गया है, जिसे क्रमशः मुक्त स्थान रमन शीतलन और रमन साइडबैंड शीतलन कहा जाता है। दोनों तकनीकें परमाणुओं द्वारा लेजर प्रकाश के रमन प्रकीर्णन का उपयोग करती हैं। दो फोटॉन रमन प्रक्रिया परमाणु की दो अति सूक्ष्म अवस्थाओं के बीच संक्रमण को दो लेजर किरणों द्वारा ट्रिगर किया जा सकता हैः पहली किरण परमाणु को एक आभासी उत्तेजित अवस्था में उत्तेजित करती है (उदाहरण के लिए क्योंकि इसकी आवृत्ति वास्तविक संक्रमण आवृत्ति से कम है), और दूसरी किरण परमाणु को अन्य अति सूक्ष्म स्तर पर उत्तेजित करती है। दोनों किरणों की आवृत्ति अंतर दो अति सूक्ष्म स्तरों के बीच संक्रमण आवृत्ति के बिल्कुल बराबर है। लंबे जीवनकाल वाले स्तरों के बीच रमन संक्रमण की अत्यंत संकीर्ण रेखा चौड़ाई के कारण रमन संक्रमण शीतलन के लिए अच्छे हैं, और संकीर्ण रेखा चौड़ाई का लाभ उठाने के लिए दो लेजर किरणों के बीच आवृत्ति में अंतर को बहुत सटीक रूप से नियंत्रित किया जाना चाहिए। इस प्रक्रिया का चित्रण दो-फोटन रमन प्रक्रिया के उदाहरण योजनाबद्ध चित्रण में दिखाया गया है। यह दो स्तरों और के बीच संक्रमण को सक्षम बनाता है। मध्यवर्ती, आभासी स्तर को डैश रेखा द्वारा दर्शाया जाता है, और वास्तविक उत्तेजित स्तर के संबंध में लाल-विच्छेदित किया जाता है। यहाँ आवृत्ति अंतर और के बीच ऊर्जा अंतर से बिल्कुल मेल खाता है। खाली स्थान रमन कूलिंग इस योजना में, परमाणुओं का एक पूर्व-ठंडा बादल (जिसका तापमान कुछ दसियों माइक्रोकेल्विन का होता है) रमन जैसी प्रक्रियाओं की दालों की एक श्रृंखला से गुजरता है। किरणें प्रति-प्रसार करती हैं, और उनकी आवृत्तियाँ वही हैं जो ऊपर वर्णित की गई हैं, सिवाय इसके कि आवृत्ति अब अपने सामान्य मूल्य के संबंध में थोड़ी लाल-विच्छेदित (विच्छेदन) है। इस प्रकार, पर्याप्त वेग के साथ लेजर 2 के स्रोत की ओर बढ़ने वाले परमाणु डॉप्लर प्रभाव के कारण रमन स्पंदों के साथ प्रतिध्वनित होंगे। वे राज्य के प्रति उत्साहित होंगे, और अपने वेग के मापांक को कम करते हुए एक गति किक प्राप्त करेंगे। यदि दो लेजरों की प्रसार दिशाओं का आदान-प्रदान किया जाता है, तो विपरीत दिशा में चलने वाले परमाणु उत्तेजित होंगे और गति किक प्राप्त करेंगे जो उनके वेगों के मापांक को कम कर देगा। लेज़रों के प्रसार की दिशाओं का नियमित रूप से आदान-प्रदान करके और विच्छेदन को बदलकर, कोई भी उन सभी परमाणुओं को प्राप्त करने का प्रबंधन कर सकता है जिनके लिए प्रारंभिक वेग अवस्था में संतुष्ट होता है, जबकि ऐसे परमाणु जो अभी भी अवस्था में हैं। फिर एक नई किरण को चालू किया जाता है, जिसकी आवृत्ति ठीक और के बीच की संक्रमण आवृत्ति होती है। यह ऑप्टिकल रूप से परमाणुओं को अवस्था से अवस्था में पंप करेगा, और इस प्रक्रिया द्वारा वेगों को यादृच्छिक किया जाएगा, जैसे कि परमाणुओं का एक अंश एक वेग प्राप्त करेगा। इस प्रक्रिया को कई बार दोहराने से (मूल पेपर में आठ, संदर्भ देखें), बादल का तापमान एक माइक्रोकेल्विन से कम किया जा सकता है। रमन साइडबैंड कूलिंग रमन साइडबैंड कूलिंग एक आवधिक क्षमता की कंपनशील जमीनी स्थिति में परमाणुओं को तैयार करने और उन्हें पुनरावृत्ति सीमा से नीचे ठंडा करने की एक विधि है। इसे एक ऑप्टिकल द्विध्रुवीय जाल के अंदर लागू किया जा सकता है जहां वाष्पीकरण शीतलन की तुलना में फंसे हुए परमाणुओं के कम नुकसान के साथ शीतलन प्राप्त किया जा सकता है, वाष्पीकरण शीतलन की दक्षता और गति में सुधार के लिए मध्य-चरण शीतलन के रूप में लागू किया जा सकता है, और आम तौर पर उच्च घनत्व पर कम तापमान पर लेजर शीतलन की पारंपरिक सीमाओं के प्रति बेहद असंवेदनशील है। यह शीतलन आयनों के साथ-साथ सीज़ियम, पोटेशियम और लिथियम आदि जैसे परमाणुओं पर सफलतापूर्वक लागू किया गया है। सामान्य रमन साइडबैंड शीतलन योजना रमन साइडबैंड शीतलन की मुख्य विधि दो फोटॉन रमन प्रक्रिया का उपयोग उन स्तरों को जोड़ने के लिए करती है जो एक हार्मोनिक ऑसिलेटर ऊर्जा से भिन्न होते हैं। चूँकि परमाणु अपनी जमीनी अवस्था में नहीं हैं, वे हार्मोनिक ऑसिलेटर के उत्तेजित स्तरों में से एक में फंस जाएंगे। रमन साइडबैंड कूलिंग का उद्देश्य परमाणुओं को हार्मोनिक क्षमता की जमीनी स्थिति में डालना है। एक योजना के सामान्य उदाहरण के लिए, रमन बीम (शामिल आरेख में लाल) दो अलग-अलग फोटॉन (और) हैं जो रैखिक रूप से अलग-अलग ध्रुवीकृत होते हैं जैसे कि हमारे पास कोणीय संवेग में परिवर्तन होता है, जो कंपन स्तरों से स्थानांतरित होता है, लेकिन कम होता है। फिर, हम एक एकल बीम (शामिल आरेख में नीला) के साथ रिपंपिंग का उपयोग करते हैं जो कंपन स्तरों को नहीं बदलता है (यानी। हमें अंदर रखते हुए, इस प्रकार साइट में हार्मोनिक क्षमता की स्थिति को कम करता है। एक ऑप्टिकल जाली में रमन साइडबैंड शीतलन उत्पन्न करें यह अधिक विशिष्ट शीतलन योजना एक चुंबकीय-ऑप्टिकल जाल में परमाणुओं से शुरू होती है, जिसमें परमाणुओं को उनकी कंपनशील जमीनी अवस्थाओं में लाने के लिए एक ऑप्टिकल जाली के अंदर रमन संक्रमण का उपयोग किया जाता है। एक ऑप्टिकल जाली एक स्थानिक रूप से आवधिक क्षमता है जो काउंटर-प्रोपेगेटिंग बीमों के हस्तक्षेप से बनती है। एक ऑप्टिकल जाली को इस तरह से ऊपर उठाया जाता है कि परमाणुओं का एक महत्वपूर्ण अंश फिर फंस जाता है। यदि जाली के लेजर पर्याप्त शक्तिशाली हैं, तो प्रत्येक साइट को एक हार्मोनिक ट्रैप के रूप में मॉडल किया जा सकता है। ऑप्टिकल जाली को परमाणुओं के लिए एक तंग बंधन प्रदान करना चाहिए, ताकि उन्हें बिखरे हुए अनुनाद फोटॉनों के साथ बातचीत करने से रोका जा सके और उनसे गर्मी को दबाया जा सके। इसे लैम्ब-डिक पैरामीटर के संदर्भ में निर्धारित किया जा सकता है, जो परस्पर क्रिया करने वाले लेजर प्रकाश की तरंग दैर्ध्य के लिए ग्राउंड स्टेट वेव-पैकेट आकार का अनुपात देता है। एक ऑप्टिकल जाली में, कंपन मोड में ऊर्जा पृथक्करण के लिए फोटॉन पुनरावृत्ति ऊर्जा के अनुपात के रूप में व्याख्या की जा सकती हैः जहां पुनरावृत्ति ऊर्जा है और कंपन ऊर्जा है। लैम्ब-डिक सीमा है। इस शासन में, कंपन ऊर्जा पुनरावृत्ति ऊर्जा से बड़ी होती है, और बिखरे हुए फोटॉन परमाणु की कंपन स्थिति को नहीं बदल सकते हैं। विशेष रूप से अपक्षयी रमन साइडबैंड शीतलन के लिए, हम दो स्तर के परमाणु पर विचार कर सकते हैं, जिसकी जमीनी स्थिति की मात्रा इस तरह है कि यह तीन गुना अपक्षयी है, या। एक चुंबकीय क्षेत्र जोड़ा जाता है, जो ज़ीमैन प्रभाव के कारण अपक्षय को बढ़ाता है। इसका मान ठीक इस तरह से ट्यून किया गया है कि ज़ीमैन जाली द्वारा बनाई गई हार्मोनिक क्षमता में दो स्तरों के अंतराल के बराबर है। रमन प्रक्रियाओं के माध्यम से, एक परमाणु को उस स्थिति में स्थानांतरित किया जा सकता है जहां चुंबकीय क्षण एक से कम हो गया है और कंपन अवस्था भी एक से कम हो गई है (उपरोक्त छवि पर लाल तीर)। उसके बाद, जो परमाणु जाली क्षमता (लेकिन के साथ) की सबसे कम कंपन अवस्था में होते हैं, उन्हें ऑप्टिकल रूप से अवस्था (और प्रकाश किरणों की भूमिका) में पंप किया जाता है। चूँकि पम्पिंग बीम आवृत्तियों के संबंध में परमाणुओं का तापमान काफी कम होता है, इसलिए पम्पिंग प्रक्रिया के दौरान परमाणु की अपनी कंपन अवस्था में परिवर्तन नहीं होने की बहुत संभावना है। इस प्रकार यह कम कंपन अवस्था में समाप्त होता है, जिससे इसे ठंडा किया जाता है। प्रत्येक चरण में निम्न कंपन अवस्था में इस कुशल स्थानांतरण तक पहुंचने के लिए, लेजर के मापदंड, अर्थात। शक्ति और समय, सावधानीपूर्वक ट्यून किया जाना चाहिए। सामान्य तौर पर, ये मापदंड विभिन्न कंपन अवस्थाओं के लिए अलग-अलग होते हैं क्योंकि युग्मन की शक्ति (रबी आवृत्ति) कंपन स्तर पर निर्भर करती है। इस सरल तस्वीर के लिए अतिरिक्त जटिलता फोटॉनों के पीछे हटने से उत्पन्न होती है, जो इस संक्रमण को चलाते हैं। अंतिम जटिलता को आम तौर पर पहले उल्लिखित लैम्ब-डिक शासन में शीतलन प्रदर्शन करके टाला जा सकता है, जहां परमाणु ऑप्टिकल जाली में इतनी दृढ़ता से फंस जाता है कि यह फोटॉन रिकॉइल के कारण प्रभावी रूप से अपनी गति को नहीं बदलता है। स्थिति मोस्बाउर प्रभाव के समान है। यह शीतलन योजना केवल ऑप्टिकल तकनीकों का उपयोग करके कम तापमान पर परमाणुओं का उच्च घनत्व प्राप्त करने की अनुमति देती है। उदाहरण के लिए, सीज़ियम का बोस-आइंस्टीन संघनन पहली बार एक प्रयोग में प्राप्त किया गया था जिसमें रमन साइडबैंड कूलिंग को अपने पहले चरण के रूप में उपयोग किया गया था। हाल के प्रयोगों से पता चला है कि यह सीधे बोस-आइंस्टीन संघनन प्राप्त करने के लिए भी पर्याप्त है। लेजर कूलिंग सब-डॉप्लर कूलिंग संदर्भ परमाणु भौतिकी कूलिंग तकनीक भी देखें।