Polarization gradient cooling
துருவமுனைப்பு சாய்வு குளிரூட்டல் (பி. ஜி. குளிரூட்டல்) என்பது அணுக்களின் லேசர் குளிரூட்டலில் ஒரு நுட்பமாகும். டாப்லர் வரம்பிற்குக் கீழே குளிர்ச்சியின் சோதனைக் கண்காணிப்பை விளக்க இது முன்மொழியப்பட்டது. கோட்பாடு அறிமுகப்படுத்தப்பட்ட சிறிது நேரத்திலேயே தத்துவார்த்த கணிப்புகளை சரிபார்க்கும் சோதனைகள் செய்யப்பட்டன. டாப்லர் குளிரூட்டல் அணுக்களை நூற்றுக்கணக்கான மைக்ரோகெல்வினுக்கு குளிர்விக்க அனுமதிக்கிறது, பிஜி குளிரூட்டல் அணுக்களை ஒரு சில மைக்ரோகெல்வினுக்கு அல்லது அதற்கும் குறைவாக குளிர்விக்க அனுமதிக்கிறது. ஆர்த்தோகனல் துருவமுனைப்புகளுடன் ஒளியின் இரண்டு எதிர் பரப்புதல் கற்றைகளின் மேற்புறம் ஒரு சாய்வை உருவாக்குகிறது, அங்கு துருவமுனைப்பு இடத்தில் மாறுபடும். சாய்வு எந்த வகையான துருவமுனைப்பு பயன்படுத்தப்படுகிறது என்பதைப் பொறுத்தது. ஆர்த்தோகனல் லீனியர் துருவமுனைப்புகள் (லின் டி. டி. லின் உள்ளமைவு) அரை அலைநீள வரம்பில் லீனியர் மற்றும் வட்ட துருவமுனைப்புக்கு இடையில் மாறுபடும் துருவமுனைப்புக்கு வழிவகுக்கிறது. இருப்பினும், ஆர்த்தோகனல் வட்ட துருவமுனைப்புகள் (σ + σ− உள்ளமைவு) பயன்படுத்தப்பட்டால், இதன் விளைவாக ஒரு நேரியல் துருவமுனைப்பு ஆகும், இது பரவலின் அச்சில் சுழல்கிறது. இரண்டு உள்ளமைவுகளும் குளிரூட்டுவதற்கும் ஒத்த முடிவுகளைத் தருவதற்கும் பயன்படுத்தப்படலாம், இருப்பினும், சம்பந்தப்பட்ட இயற்பியல் வழிமுறைகள் மிகவும் வேறுபட்டவை. லின் டிடி லின் வழக்கைப் பொறுத்தவரை, துருவமுனைப்பு சாய்வு அணு தரை நிலையின் ஜீமான் துணை நிலைகளில் அவ்வப்போது ஒளி மாற்றங்களை ஏற்படுத்துகிறது, இது ஒரு சிசிபஸ் விளைவு ஏற்பட அனுமதிக்கிறது. σ +-σ− அமைப்பில், சுழலும் துருவமுனைப்பு அணு தரை நிலையின் ஜீமான் துணை நிலைகளில் இயக்கத்தால் தூண்டப்பட்ட மக்கள்தொகை சமநிலையின்மையை உருவாக்குகிறது, இதன் விளைவாக அணுவின் இயக்கத்தை எதிர்க்கும் கதிர்வீச்சு அழுத்தத்தில் சமநிலையின்மை ஏற்படுகிறது. இரண்டு உள்ளமைவுகளும் துணை-டாப்ளர் குளிரூட்டலை அடைகின்றன, அதற்கு பதிலாக பின்னடைவு வரம்பை அடைகின்றன. பிஜி குளிரூட்டலின் வரம்பு டாப்ளர் குளிரூட்டலை விட குறைவாக இருந்தாலும், பிஜி குளிரூட்டலின் பிடிப்பு வரம்பு குறைவாக உள்ளது, எனவே ஒரு அணு வாயு பிஜி குளிரூட்டலுக்கு முன் முன்கூட்டியே குளிரூட்டப்பட வேண்டும். 1975 ஆம் ஆண்டில் அணுக்களின் லேசர் குளிரூட்டல் முதன்முதலில் முன்மொழியப்பட்டபோது, கருதப்பட்ட ஒரே குளிரூட்டும் பொறிமுறை டாப்ளர் குளிரூட்டல் ஆகும். எனவே வெப்பநிலையின் வரம்பு டாப்ளர் வரம்பாக இருக்கும் என்று கணிக்கப்பட்டதுஃ இங்கே kb என்பது போல்ட்ஸ்மேன் மாறிலி, T என்பது அணுக்களின் வெப்பநிலை, மற்றும் γ என்பது உற்சாகமான நிலையின் கதிர்வீச்சு வாழ்நாளின் தலைகீழ் ஆகும். ஆரம்பகால சோதனைகள் இந்த வரம்புடன் உடன்படுவதாகத் தோன்றியது. இருப்பினும், 1988 ஆம் ஆண்டில் சோதனைகள் டாப்ளர் வரம்பிற்குக் கீழே வெப்பநிலையைப் புகாரளிக்கத் தொடங்கின. இந்த அவதானிப்புகள் விளக்குவதற்கு பிஜி குளிரூட்டல் கோட்பாட்டை எடுக்கும். கோட்பாடு துருவமுனைப்பு சாய்வுகளை உருவாக்கும் இரண்டு வெவ்வேறு உள்ளமைவுகள் உள்ளனஃ லின் டி லின் மற்றும் σ + σ−. இரண்டு கட்டமைப்புகளும் குளிரூட்டலை வழங்குகின்றன, இருப்பினும், துருவமுனைப்பு சாய்வு வகை மற்றும் குளிரூட்டலுக்கான இயற்பியல் பொறிமுறை இரண்டிற்கும் இடையில் வேறுபடுகின்றன. லின் டி. டி. லின் உள்ளமைவில் லின் டி. டி. லின் உள்ளமைவு குளிரூட்டல் ஒரு சிசிபஸ் விளைவு மூலம் அடையப்படுகிறது. சமமான வீச்சு மற்றும் ஆர்த்தோகனல் நேரியல் துருவமுனைப்புகளுடன் இரண்டு எதிர் பரப்புதல் மின்காந்த அலைகளைக் கவனியுங்கள், இங்கு k என்பது அலை எண்ணாகும். ஒரு புதிய ஜோடி ஆயத்தொகுதிகளை அறிமுகப்படுத்துதல் மற்றும் புலத்தை இவ்வாறு எழுதலாம்ஃ மொத்த புலத்தின் துருவமுனைப்பு z உடன் மாறுகிறது. எடுத்துக்காட்டாகஃ புலத்தில் நேரியல் துருவமுனைப்பு உள்ளது, புலத்தில் இடது வட்ட துருவமுனைப்பு உள்ளது, புலத்தில் நேரியல் துருவமுனைப்பு உள்ளது, புலத்தில் வலது வட்ட துருவமுனைப்பு உள்ளது, மேலும் புலத்தில் மீண்டும் நேரியல் துருவமுனைப்பு உள்ளது. அணு நிலைகளிலிருந்து மாற்றம் மற்றும் () க்கு கீழே பிரிக்கப்பட்ட புலத்துடன் ஒரு அணு தொடர்பு கொள்வதைக் கவனியுங்கள். z உடன் துருவமுனைப்பின் மாறுபாடு z உடன் அணு ஜீமான் துணை நிலைகளின் ஒளி மாற்றங்களில் மாறுபாட்டை ஏற்படுத்துகிறது. மாநிலத்துடன் மாநிலத்தை இணைக்கும் கிளெப்ஷ்-கோர்டான் குணகம் மாநிலத்தை மாநிலத்துடன் இணைப்பதை விட 3 மடங்கு பெரியது. எனவே துருவமுனைப்புக்கு ஒளி மாற்றம் மாநிலத்தை விட மாநிலத்திற்கு மூன்று மடங்கு பெரியது. துருவமுனைப்புக்கு நிலைமை தலைகீழாக உள்ளது, ஒளி மாற்றம் மாநிலத்தை விட மூன்று மடங்கு பெரியதாக உள்ளது. துருவமுனைப்பு நேரியல் நிலையில் இருக்கும்போது, இரு நிலைகளுக்கும் இடையிலான ஒளி மாற்றங்களில் எந்த வித்தியாசமும் இல்லை. இவ்வாறு நிலைகளின் ஆற்றல்கள் காலத்துடன் z இல் ஊசலாடும். ஒரு அணு z வழியாக நகரும்போது, அது மிகப்பெரிய எதிர்மறை ஒளி மாற்றத்துடன் ஒளியியல் ரீதியாக மாநிலத்திற்கு செலுத்தப்படும். இருப்பினும், ஒளியியல் உந்தி செயல்முறை சில வரையறுக்கப்பட்ட நேரத்தை எடுக்கும். புல அலை எண் k மற்றும் அணு வேகம் v க்கு, அணு மீண்டும் மிகக் குறைந்த நிலைக்கு கீழே செலுத்தப்படுவதற்கு முன்பு z வழியாக நகரும்போது பெரும்பாலும் மேல்நோக்கி பயணிக்கும். இந்த வேக வரம்பில், அணு கீழ்நோக்கி செல்வதை விட மேல்நோக்கி பயணிக்கிறது மற்றும் படிப்படியாக இயக்க ஆற்றலை இழந்து அதன் வெப்பநிலையைக் குறைக்கிறது. இது புராண கிரேக்க கதாபாத்திரத்தின் அடிப்படையில் சிசிபஸ் விளைவு என்று அழைக்கப்படுகிறது. வேகத்திற்கான இந்த ஆரம்ப நிபந்தனைக்கு அணுவை ஏற்கனவே குளிர்விக்க வேண்டும் என்பதை நினைவில் கொள்க, எடுத்துக்காட்டாக டாப்ளர் குளிரூட்டல் மூலம். σ + σ − உள்ளமைவு ஆர்த்தோகனல் வட்ட துருவமுனைப்புகளுடன் எதிர் பரப்புதல் அலைகளின் விஷயத்தில் இதன் விளைவாக ஏற்படும் துருவமுனைப்பு எல்லா இடங்களிலும் நேரியல், ஆனால் ஒரு கோணத்தில் சுழல்கிறது. இதன் விளைவாக, சிசிபஸ் விளைவு இல்லை. அதற்கு பதிலாக சுழலும் துருவமுனைப்பு ஜீமான் அளவுகளில் இயக்கத்தால் தூண்டப்பட்ட மக்கள்தொகை ஏற்றத்தாழ்வுகளுக்கு வழிவகுக்கிறது, இது கதிர்வீச்சு அழுத்தத்தில் ஏற்றத்தாழ்வுகளை ஏற்படுத்துகிறது, இது அணு இயக்கத்தின் தணிப்புக்கு வழிவகுக்கிறது. இந்த மக்கள்தொகை ஏற்றத்தாழ்வுகள் உள்ள அல்லது அதற்கு மேற்பட்ட மாநிலங்களுக்கு மட்டுமே உள்ளன. சமமான வீச்சுகளுடன் ஒரு அணு மாற்றத்திலிருந்து பிரிக்கப்பட்ட இரண்டு ஈ. எம் அலைகளைக் கவனியுங்கள்ஃ மற்றும். இந்த இரண்டு அலைகளின் மேற்பரப்பு பின்வருமாறுஃ முன்பு கூறியது போல், மொத்த புலத்தின் துருவமுனைப்பு நேரியல், ஆனால் ஒரு கோணத்தால் சுழற்றப்படுகிறது. ஒரு அணு சில திசைவேகத்துடன் z வழியாக நகர்வதைக் கவனியுங்கள். அணு துருவமுனைப்பு ஒரு அதிர்வெண்ணுடன் சுழல்வதைக் காண்கிறது. சுழலும் சட்டகத்தில், துருவமுனைப்பு சரி செய்யப்படுகிறது, இருப்பினும், சட்டகம் சுழல்வதால் ஒரு மந்தமான புலம் உள்ளது. இந்த மந்தமான சொல் ஹாமில்டோனிய மொழியில் பின்வருமாறு தோன்றுகிறது. லார்மர் முன்கூட்டிய அதிர்வெண் ஆய்வக சட்டகத்தில் சுழற்சி அதிர்வெண்ணுக்கு சமமாக இருக்கும் ஒரு வீச்சுடன் ஒரு காந்தப்புலம் போல் இருப்பதை இங்கே காண்கிறோம். சிறிய v க்கு, ஹாமில்டோனியன் மொழியில் இந்த சொல்லை இடையூறு கோட்பாட்டைப் பயன்படுத்தி சிகிச்சையளிக்க முடியும். சுழலும் சட்டகத்தில் சரிசெய்ய வேண்டிய துருவமுனைப்பைத் தேர்ந்தெடுப்பது, இடையூறு இல்லாத அணு ஐகென்ஸ்டேட்கள் இதன் ஐகென்ஸ்டேட்களாகும். ஹாமில்டோனிய மொழியில் சுழலும் சொல் அணு ஐகென்ஸ்டேட்களில் இடையூறுகளை ஏற்படுத்துகிறது, இதனால் ஜீமான் துணை நிலைகள் ஒருவருக்கொருவர் மாசுபடுகின்றன. ஏனெனில் ஒளி மாநிலங்களை விட அதிகமாக மாற்றப்படுகிறது. எனவே நிலையான மாநில மக்கள் தொகை மற்ற மாநிலங்களை விட அதிகமாக உள்ளது. மாநிலங்களுக்கு மக்கள் தொகை சமம். எனவே மாநிலங்கள் சமன்படுத்தப்படுகின்றன. இருப்பினும், நாம் அடிப்படையை மாற்றும்போது, மக்கள் தொகை z-அடிப்படையில் சமநிலையாக இல்லை என்பதையும், அணுவின் வேகத்திற்கு விகிதாசாரமாக பூஜ்ஜியமற்ற மதிப்பு இருப்பதைக் காண்கிறோம்ஃ மாநிலத்திற்கான ஒளி மாற்றம் எங்கே. z அடிப்படையில் ஜீமான் துணை நிலைகளில் இயக்கத்தால் தூண்டப்பட்ட மக்கள்தொகை சமநிலையின்மை உள்ளது. சிவப்பு விலக்கப்பட்ட ஒளியைப் பொறுத்தவரை, எதிர்மறையானது, எனவே அணு வலதுபுறம் (நேர்மறை திசைவேகம்) நகரும் போது மாநிலத்தில் அதிக மக்கள் தொகையும், அணு இடதுபுறம் (எதிர்மறை திசைவேகம்) நகரும் போது மாநிலத்தில் அதிக மக்கள் தொகையும் இருக்கும். கிளெப்ஷ்-கார்டன் குணகங்களிலிருந்து, வலதுபுறம் நகரும் ஃபோட்டான்களை விட இடதுபுறம் நகரும் ஃபோட்டான்களை உறிஞ்சுவதற்கான ஆறு மடங்கு அதிக நிகழ்தகவை இந்த நிலை கொண்டுள்ளது என்பதை நாம் காண்கிறோம். இதற்கு நேர்மாறாக மாநிலத்திற்கு பொருந்தும். அணு வலதுபுறம் நகரும்போது அது இடதுபுறம் நகரும் ஃபோட்டானையும் உறிஞ்சும் வாய்ப்பு அதிகம், அதேபோல் அணு இடதுபுறம் நகரும்போது அது வலதுபுறம் நகரும் ஃபோட்டானையும் உறிஞ்சும் வாய்ப்பு அதிகம். இவ்வாறு அணு நகரும் போது ஒரு சமநிலையற்ற கதிர்வீச்சு அழுத்தம் உள்ளது, இது அணுவின் இயக்கத்தைக் குறைக்கிறது, அதன் வேகத்தையும் அதன் வெப்பநிலையையும் குறைக்கிறது. அணு இயக்கம் காரணமாக சமநிலையற்ற கதிர்வீச்சு அழுத்தங்களில் டாப்ளர் குளிரூட்டலுக்கான ஒற்றுமையைக் கவனியுங்கள். பிஜி குளிரூட்டலில் சமநிலையற்ற அழுத்தம் ஒரு டாப்ளர் மாற்றத்தால் அல்ல, ஆனால் தூண்டப்பட்ட மக்கள்தொகை சமநிலையின்மையால் ஏற்படுகிறது. டாப்ளர் குளிரூட்டல் என்பது சிதறல் விகிதம் இருக்கும் அளவுருவைப் பொறுத்தது, அதே நேரத்தில் பிஜி குளிரூட்டல் அளவுருவைப் பொறுத்தது. குறைந்த தீவிரத்தில் மற்றும் இதனால் பி. ஜி குளிரூட்டல் டாப்ளர் குளிரூட்டலை விட குறைந்த அணு வேகங்களில் (வெப்பநிலை) செயல்படுகிறது. வரம்புகள் மற்றும் அளவிடுதல் பிஜி குளிரூட்டலின் இரண்டு முறைகளும் டாப்ளர் வரம்பை மீறுகின்றன, அதற்கு பதிலாக ஒரு ஃபோட்டான் பின்னடைவு வரம்பால் வரையறுக்கப்படுகின்றனஃ இங்கு எம் என்பது அணு நிறை. கொடுக்கப்பட்ட டிட்யூனிங் மற்றும் ரபி அதிர்வெண்ணுக்கு, ஒளி தீவிரத்தைப் பொறுத்து, இரண்டு உள்ளமைவுகளும் குறைந்த தீவிரம் () மற்றும் பெரிய டிட்யூனிங் () இல் ஒத்த அளவீட்டைக் காட்டுகின்றனஃ உள்ளமைவு மற்றும் அணு இனங்களைப் பொறுத்து பரிமாணமற்ற மாறிலி எங்கே. இந்த முடிவுகளின் முழு வழித்தோன்றலுக்காக குறிப்பைப் பார்க்கவும். சோதனை பி. ஜி குளிரூட்டல் பொதுவாக மையத்தில் ஒரு அணு குழுமத்துடன் மூன்று ஜோடி செங்குத்தான லேசர் கற்றைகளுடன் 3டி ஒளியியல் அமைப்பைப் பயன்படுத்தி செய்யப்படுகிறது. ஒவ்வொரு கற்றை அதன் எதிர் பரப்புதல் கற்றைக்கு ஒரு ஆர்த்தோகனல் துருவமுனைப்புடன் தயாரிக்கப்படுகிறது. அணுவின் தரை மற்றும் உற்சாகமான நிலைகளுக்கு இடையிலான தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட மாற்றத்திலிருந்து லேசர் அதிர்வெண் பிரிக்கப்படுகிறது. குளிரூட்டும் செயல்முறைகள் பல மாற்றங்களை நம்பியிருப்பதால், அணு இந்த இரண்டு நிலைகளிலிருந்தும் வெளியேறாமல் கவனமாக இருக்க வேண்டும். மாற்றத்தின் தரை நிலைக்குள் மீண்டும் விழும் எந்த அணுக்களையும் பம்ப் செய்ய இரண்டாவது, "ரீபம்பிங்", லேசரைப் பயன்படுத்துவதன் மூலம் இது செய்யப்படுகிறது. எடுத்துக்காட்டாகஃ சீசியம் குளிரூட்டும் சோதனைகளில், குளிரூட்டும் லேசர் பொதுவாக மாற்றத்திலிருந்து அகற்றப்படுவதற்குத் தேர்ந்தெடுக்கப்படுகிறது, மேலும் மாற்றத்திற்கு டியூன் செய்யப்பட்ட ஒரு ரீபம்பிங் லேசரும் சிஎஸ் அணுக்கள் நிலைக்குள் செலுத்தப்படுவதைத் தடுக்கப் பயன்படுத்தப்படுகிறது. பிஜி குளிரூட்டலுக்கு முன் அணுக்கள் குளிர்விக்கப்பட வேண்டும், இது டாப்ளர் குளிரூட்டல் வழியாக அதே அமைப்பைப் பயன்படுத்தி செய்யப்படலாம். அணுக்கள் டாப்ளர் குளிரூட்டல் மூலம் முன்கூட்டியே குளிரூட்டப்பட்டால், லேசர் தீவிரம் குறைக்கப்பட வேண்டும் மற்றும் பி. ஜி குளிரூட்டலை அடைய டிட்யூனிங் அதிகரிக்க வேண்டும். அணு வெப்பநிலையை டைம் ஆஃப் ஃப்ளைட் (டிஓஎஃப்) நுட்பத்தைப் பயன்படுத்தி அளவிட முடியும். இந்த நுட்பத்தில், லேசர் கதிர்கள் திடீரென்று அணைக்கப்பட்டு அணு குழுமம் விரிவடைய அனுமதிக்கப்படுகிறது. ஒரு குறிப்பிட்ட நேர தாமதத்திற்குப் பிறகு, குழுமத்தை படமாக்க ஒரு ஆய்வு கற்றை இயக்கப்படுகிறது மற்றும் நேரம் t இல் குழுமத்தின் இடஞ்சார்ந்த அளவைப் பெறுகிறது. பல நேர தாமதங்களில் குழுமத்தை படமாக்குவதன் மூலம், விரிவாக்க விகிதம் கண்டறியப்படுகிறது. குழுமத்தின் விரிவாக்க விகிதத்தை அளவிடுவதன் மூலம் திசைவேக விநியோகம் அளவிடப்படுகிறது, இதிலிருந்து வெப்பநிலை ஊகிக்கப்படுகிறது. ஒரு முக்கியமான தத்துவார்த்த முடிவு என்னவென்றால், பி. ஜி குளிரூட்டும் செயல்பாடுகளில், வெப்பநிலை அதன் விகிதத்தை மட்டுமே சார்ந்துள்ளது மற்றும் குளிரூட்டல் பின்னடைவு வரம்பை அணுகுகிறது. இந்த கணிப்புகள் 1990 ஆம் ஆண்டில் டபிள்யூ. டி. பிலிப்ஸ் மற்றும் பலர். அவற்றின் சீசியம் அணுக்களில் இத்தகைய அளவீட்டையும், 2.5K வெப்பநிலையையும் கவனித்தனர், இது பரிசோதனையில் பயன்படுத்தப்பட்ட சீசியத்தின் D2 வரிசைக்கு 0.198K இன் பின்னடைவு வெப்பநிலையை விட 12 மடங்கு அதிகமாகும். குறிப்புகள் குவாண்டம் ஒளியியல் அணு, மூலக்கூறு மற்றும் ஒளியியல் இயற்பியல்