Raman cooling
جوہری طبیعیات میں، رمن کولنگ ایک ذیلی ریکوئل کولنگ تکنیک ہے جو ڈوپلر کولنگ کی حدود سے نیچے نظری طریقوں کا استعمال کرتے ہوئے ایٹموں کو ٹھنڈا کرنے کی اجازت دیتی ہے، ڈوپلر کولنگ کو ایٹم کو دی گئی فوٹون کی ریکوئل توانائی سے محدود کیا جاتا ہے۔ یہ اسکیم سادہ آپٹیکل مولسیس یا مولسیس میں انجام دی جا سکتی ہے جہاں آپٹیکل لیٹس کو سپر امپوز کیا گیا ہے، جسے بالترتیب فری اسپیس رمن کولنگ اور رمن سائیڈ بینڈ کولنگ کہا جاتا ہے۔ دونوں تکنیکیں ایٹموں کے ذریعے لیزر لائٹ کے رمن بکھرنے کا استعمال کرتی ہیں۔ دو فوٹون رمن عمل ایٹم کی دو ہائپر فائن حالتوں کے درمیان منتقلی کو دو لیزر بیموں سے متحرک کیا جا سکتا ہے: پہلا بیم ایٹم کو ایک مجازی پرجوش حالت میں اکساتا ہے (مثال کے طور پر کیونکہ اس کی تعدد حقیقی منتقلی تعدد سے کم ہے)، اور دوسرا بیم ایٹم کو دوسری ہائپر فائن سطح پر خارج کرتا ہے۔ دونوں بیموں کی تعدد کا فرق بالکل دو ہائپر فائن سطحوں کے درمیان منتقلی کی تعدد کے برابر ہے۔ طویل عمر والی سطحوں کے درمیان رمن منتقلی کی انتہائی تنگ لکیر کی چوڑائی کی وجہ سے رمن منتقلی ٹھنڈک کے لیے اچھی ہے، اور تنگ لکیر کی چوڑائی کا فائدہ اٹھانے کے لیے دونوں لیزر بیموں کے درمیان تعدد میں فرق کو بہت درست طریقے سے کنٹرول کرنا ضروری ہے۔ اس عمل کی مثال دو فوٹون والے رمن عمل کی اسکیمیٹک مثال میں دکھائی گئی ہے۔ یہ دو سطحوں اور کے درمیان منتقلی کو قابل بناتا ہے۔ انٹرمیڈیٹ، ورچوئل سطح کی نمائندگی ڈیشڈ لائن کے ذریعے کی جاتی ہے، اور حقیقی پرجوش سطح کے حوالے سے سرخ رنگ سے الگ کیا جاتا ہے۔ یہاں تعدد کا فرق اور کے درمیان توانائی کے فرق سے بالکل ملتا جلتا ہے۔ خالی جگہ رمن کولنگ اس اسکیم میں، ایٹموں کا ایک پہلے سے ٹھنڈا بادل (جس کا درجہ حرارت چند دس مائیکروکلون کا ہوتا ہے) رمن جیسے عمل کی دالوں کے ایک سلسلے سے گزرتا ہے۔ بیم جوابی پھیلاؤ کرتے ہیں، اور ان کی تعدد بالکل ویسی ہی ہوتی ہے جیسی اوپر بیان کی گئی ہے، سوائے اس کے کہ تعدد اب اس کی معمول کی قیمت کے حوالے سے قدرے سرخ رنگ (ڈیٹوننگ) ہے۔ اس طرح، کافی رفتار کے ساتھ لیزر 2 کے منبع کی طرف بڑھنے والے ایٹم ڈوپلر اثر کی بدولت رمن دالوں کے ساتھ گونجتے رہیں گے۔ وہ ریاست کے لیے پرجوش ہوں گے، اور اپنی رفتار کے ماڈیولس کو کم کرتے ہوئے ایک مومنٹم کک حاصل کریں گے۔ اگر دونوں لیزرز کے پھیلاؤ کی سمتوں کا تبادلہ کیا جاتا ہے، تو مخالف سمت میں حرکت کرنے والے ایٹم پرجوش ہوں گے اور مومنٹم کک حاصل کریں گے جو ان کی رفتار کے ماڈیولس کو کم کرے گا۔ لیزرز کے پھیلاؤ کی سمتوں کا باقاعدگی سے تبادلہ کرنے اور ڈیٹوننگ کو تبدیل کرنے سے، کوئی بھی ان تمام ایٹموں کو حاصل کرنے کا انتظام کر سکتا ہے جن کے لیے ابتدائی رفتار حالت میں مطمئن ہوتی ہے، جبکہ ایسے ایٹم جو اب بھی حالت میں ہیں۔ اس کے بعد ایک نیا بیم آن کیا جاتا ہے، جس کی فریکوئنسی بالکل اور کے درمیان منتقلی کی فریکوئنسی ہوتی ہے۔ یہ نظری طور پر ایٹموں کو حالت سے حالت میں پمپ کرے گا، اور اس عمل کے ذریعے رفتار کو بے ترتیب کیا جائے گا، اس طرح کہ ایٹموں کا ایک حصہ رفتار حاصل کرے گا۔ اس عمل کو کئی بار دہرانے سے (اصل کاغذ میں آٹھ، حوالہ جات دیکھیں)، بادل کا درجہ حرارت ایک مائیکروکلون سے کم کیا جا سکتا ہے۔ رمن سائیڈ بینڈ کولنگ رمن سائیڈ بینڈ کولنگ ایک ایسا طریقہ ہے جس سے ایٹموں کو وقتا فوقتا ممکنہ کمپن والی زمینی حالت میں تیار کیا جاتا ہے اور انہیں ریکوئل کی حد سے نیچے ٹھنڈا کیا جاتا ہے۔ اسے آپٹیکل ڈائپول ٹریپ کے اندر لاگو کیا جا سکتا ہے جہاں پھنسے ہوئے ایٹموں کے کم نقصان کے ساتھ ٹھنڈک بخارات کی ٹھنڈک کے مقابلے میں حاصل کی جا سکتی ہے، بخارات کی ٹھنڈک کی کارکردگی اور رفتار کو بہتر بنانے کے لیے درمیانی مرحلے کی ٹھنڈک کے طور پر لاگو کیا جا سکتا ہے، اور عام طور پر لیزر کولنگ کی روایتی حدود سے زیادہ کثافت پر کم درجہ حرارت تک انتہائی بے حس ہوتا ہے۔ یہ ٹھنڈک آئنوں کے ساتھ ساتھ سیزیم، پوٹاشیم، اور لیتھیم وغیرہ جیسے ایٹموں پر کامیابی سے لاگو کیا گیا ہے۔ جنرل رمن سائیڈ بینڈ کولنگ اسکیم رمن سائیڈ بینڈ کولنگ کا بنیادی طریقہ دو فوٹون رمن عمل کو ان سطحوں کو جوڑنے کے لیے استعمال کرتا ہے جو ایک ہارمونک آسکیلیٹر توانائی سے مختلف ہوتی ہیں۔ چونکہ ایٹم اپنی زمینی حالت میں نہیں ہیں، اس لیے وہ ہارمونک آسکیلیٹر کی پرجوش سطحوں میں سے کسی ایک میں پھنس جائیں گے۔ رمن سائیڈ بینڈ کولنگ کا مقصد ایٹموں کو ہارمونک صلاحیت کی زمینی حالت میں ڈالنا ہے۔ اسکیم کی ایک عام مثال کے طور پر، رمن بیم (شامل خاکہ میں سرخ) دو مختلف فوٹون (اور) ہیں جو لکیری طور پر مختلف طریقے سے پولرائزڈ ہوتے ہیں کہ ہمارے پاس کونیی رفتار میں تبدیلی ہوتی ہے، جس سے منتقل ہوتا ہے، لیکن کمپن کی سطح سے کم ہوتا ہے۔ پھر، ہم ایک واحد بیم (شامل کردہ خاکہ میں نیلا) کے ساتھ ری پمپنگ کا استعمال کرتے ہیں جو کمپن کی سطح کو تبدیل نہیں کرتا ہے (یعنی۔ ہمیں اندر رکھتے ہوئے، اس طرح سائٹ میں ہارمونک صلاحیت کی حالت کو کم کرتا ہے۔ آپٹیکل لیٹس میں ڈیجینریٹ رمن سائیڈ بینڈ کولنگ یہ زیادہ مخصوص کولنگ اسکیم میگنیٹو آپٹیکل ٹریپ میں ایٹموں سے شروع ہوتی ہے، جس میں ایٹموں کو ان کی کمپن والی زمینی حالتوں میں لانے کے لیے آپٹیکل لیٹس کے اندر رمن ٹرانزیشن کا استعمال کیا جاتا ہے۔ نظری جالی ایک مقامی طور پر وقتا فوقتا پیدا ہونے والی صلاحیت ہے جو جوابی پھیلاؤ والی بیموں کی مداخلت سے بنتی ہے۔ ایک نظری جالی کو اس طرح بڑھایا جاتا ہے کہ پھر ایٹموں کا ایک اہم حصہ پھنس جاتا ہے۔ اگر جالی کے لیزر کافی طاقتور ہیں، تو ہر سائٹ کو ہارمونک ٹریپ کے طور پر بنایا جا سکتا ہے۔ نظری جالی کو ایٹموں کے لیے ایک سخت پابند فراہم کرنا چاہیے، تاکہ انہیں بکھرے ہوئے گونج والے فوٹونوں کے ساتھ تعامل سے روکا جا سکے اور ان سے ہونے والی حرارت کو دبایا جا سکے۔ اس کی مقدار لیمب ڈک پیرامیٹر کے لحاظ سے کی جا سکتی ہے، جو زمینی حالت کے لہر پیکٹ کے سائز اور تعامل کرنے والی لیزر روشنی کی طول موج کا تناسب دیتا ہے۔ نظری جالی میں، کمپن کے طریقوں میں توانائی کی علیحدگی کے ساتھ فوٹون بازیافت توانائی کے تناسب کے طور پر تشریح کی جا سکتی ہے: بازیافت توانائی کہاں ہے اور کمپن توانائی کہاں ہے۔ لیمب ڈک کی حد ہے۔ اس نظام میں، کمپن توانائی ریکوئل توانائی سے بڑی ہوتی ہے، اور بکھرے ہوئے فوٹون ایٹم کی کمپن حالت کو تبدیل نہیں کر سکتے۔ خاص طور پر انحطاط پذیر رمن سائیڈ بینڈ کولنگ کے لیے، ہم دو درجے کے ایٹم پر غور کر سکتے ہیں، جس کی زمینی حالت کا کوانٹم نمبر ہے، اس طرح کہ یہ تین گنا انحطاط پذیر ہے، یا۔ ایک مقناطیسی میدان شامل کیا جاتا ہے، جو زیمان اثر کی وجہ سے انحطاط کو بڑھاتا ہے۔ اس کی قیمت بالکل اس طرح ٹیون کی گئی ہے کہ زیمان جالی کے ذریعہ پیدا ہونے والی ہارمونک صلاحیت میں دو سطحوں کے فاصلے کے برابر ہے۔ رمن کے عمل کے ذریعے، ایٹم کو ایسی حالت میں منتقل کیا جا سکتا ہے جہاں مقناطیسی مومنٹ میں ایک کی کمی واقع ہوئی ہو اور کمپن کی حالت میں بھی ایک کی کمی واقع ہوئی ہو (مندرجہ بالا تصویر پر سرخ تیر)۔ اس کے بعد، وہ ایٹم جو جالی کی صلاحیت (لیکن ساتھ) کی سب سے کم کمپن کی حالت میں ہوتے ہیں، آپٹیکل طور پر حالت (اور ہلکی بیم کا کردار) میں پمپ کیے جاتے ہیں۔ چونکہ پمپنگ بیم تعدد کے حوالے سے ایٹموں کا درجہ حرارت کافی کم ہوتا ہے، اس لیے امکان ہے کہ پمپنگ کے عمل کے دوران ایٹم اپنی کمپن کی حالت کو تبدیل نہیں کرے گا۔ اس طرح یہ کم کمپن کی حالت میں ختم ہوتا ہے، جس طرح اسے ٹھنڈا کیا جاتا ہے۔ ہر مرحلے پر نچلی کمپن کی حالت میں اس موثر منتقلی تک پہنچنے کے لیے، لیزر کے پیرامیٹرز، یعنی۔ طاقت اور وقت، احتیاط سے ٹیون کیا جانا چاہئے. عام طور پر، یہ پیرامیٹرز مختلف کمپن کی حالتوں کے لیے مختلف ہوتے ہیں کیونکہ جوڑے کی طاقت (ربیع فریکوئنسی) کمپن کی سطح پر منحصر ہوتی ہے۔ اس بے وقوف تصویر میں اضافی پیچیدگی فوٹونوں کے پیچھے ہٹنے سے پیدا ہوتی ہے، جو اس منتقلی کو چلاتے ہیں۔ آخری پیچیدگی سے عام طور پر پہلے مذکور لیمب ڈک نظام میں ٹھنڈک کی کارکردگی سے بچا جا سکتا ہے، جہاں ایٹم نظری جالی میں اتنی مضبوطی سے پھنس جاتا ہے کہ یہ فوٹون ریکوئلز کی وجہ سے مؤثر طریقے سے اپنی رفتار کو تبدیل نہیں کرتا ہے۔ صورتحال موسباؤر اثر سے ملتی جلتی ہے۔ یہ کولنگ اسکیم صرف نظری تکنیکوں کا استعمال کرتے ہوئے کم درجہ حرارت پر ایٹموں کی زیادہ کثافت حاصل کرنے کی اجازت دیتی ہے۔ مثال کے طور پر، سیزیم کا بوس-آئن سٹائن کنڈینسشن پہلی بار ایک تجربے میں حاصل کیا گیا تھا جس میں رمن سائیڈ بینڈ کولنگ کو اپنے پہلے قدم کے طور پر استعمال کیا گیا تھا۔ حالیہ تجربات سے پتہ چلتا ہے کہ یہ براہ راست بوس آئن سٹائن کے ارتکاز کو حاصل کرنے کے لیے بھی کافی ہے۔ لیزر کولنگ سب ڈوپلر کولنگ حوالہ جات جوہری طبیعیات کولنگ ٹیکنالوجی بھی دیکھیں۔