משתמש:Iron Dome/טיוטה

קירור דופלר

קירור דופלר הינו טכניקה המשמשת ללכידת והאטת אטומים נעים באמצעות לייזר. הטכניקה מתבססת על העיקרון של אפקט דופלר.

הסבר

הסבר פשוט לעיקרון קירור דופלר:

1	אטום נייח רןאה את הלייזר (אשר לא מוסח לא לאדום ולא כחול) ולא בולע אותו.
2	אטום הנע בלייזר ומתרחק ממקור הלייזר רואה הלייזר המוסח לאדום ולא בולע אותו.
3.1	אטום מתקרב ללייזר, רואה אותו מוסח לכחול ובולע אותו.
3.2	הפוטון נבלע באטום ומזיז אלקטון לרמת אנרגיה גבוהה יותר.
3.3	האטום פולט את הפוטון

קירור דופלר מערב אור ותנועת אטומים בתדירות מסויימת. הקירור מתבצע על ידי הארה בלייזר בעל תדר מעט נמוך יותר מתדר הרזוננס של האטומים שמקררים על צבר הטומים שמקררים.

על פי אפקט דופלר כאשר גוף זז לכיוון קרן אור תדר האור מוסט לכחול ולכן האטומים שזזים לכיוון הקרן יראו קרן שהיא בדיוק ברזוננס שלהם ויבלעו פוטונים רק מהקרן הזו. כל פוטון יתן לאטום תנע בכיוון הפוך לכיוון התנועה של האטום ויאט אותו, האטום אומנם יפלוט את הפוטון אך בכיוון אקראי.

בתדר הזה, הנמוך משל רזוננס האטומים, הפוטונים לא יבלעו באטום מכל הכיוונים, אלא רק בכיוון שאליו הוא נע.

הסבר מפורט

הרוב המוחלט של פוטונים המגיעים בקרבה ליד אטום ספציפי כמעט ובכלל לא מושפעים מהאטום. האטום שקוף לגמרי לרוב התדירויות (צבעים) של פוטונים.

אך יש כמה פוטונים המצליחים להיות במצב תהודה עם האטום בקבוצה מאוד צרה של תדירויות (צבע יחיד במקום ערבוב כמו אור לבן). כאשר אחד מהפוטונים האלו מתקרב לאטום, האטום לרוב סופג את הפוטון לזמן קצר של זמן, ואז פולט פוטון זהה (ספקטרום פליטה) לכיוון אקראי שלא ניתן לנבא מראש. (ישנם עוד סוגים שונים של אינטראקציות בין אטומים ופוטונים, אך הם אינם רלונטים לערך זה).

הרעיון הפופולרי שלייזרים מגבירים אנרגיה תרמית של חומר הוא לא המקרה כאשר בוחנים אטומים יחידים. אם אטום יחיד הוא באופן פרקטי ללא תזוזה (אטום "קר"), והתדירות של לייזר המתמקד על האטום ניתנת לשליטה, רוב התדירויות לא ישפיעו על האטום — הוא בלתי נראה בתדירויות הללו. יש רק מעט נקודות של תדירות אלקטרו-מגנטית בעל השפעה כלשהי על האטום. בתדירויות האלו, האטום יכול לספוג פוטון מהלייזר, מה שגורם לו להגיע למצב אלקטרוני מתרגש, ולקבל את המומנטום של הפוטון. בגלל שלאטום עכשיו יש את המומנטום של הפוטון, האטום מתחיל להיסחף בכיוון שהפוטון זז בו. זמן קצר לאחר מכן, האטום יפלוט באופן ספונטני פוטון לכיוון אקראי מכיוון שהוא נרגע למצב אלקטרוני נמוך. אם הפוטון נפלט בכיוון של הפוטון המקורי, האטום יעביר את המומנטום שלו לפוטון החדש וישוב להיות חסר תזוזה. אם הפוטון נפלט בכיוון ההפוך, האטום יעביר מומנטום לכיוון של הפוטון החדש, מה שיגרום לו לקבל עוד יותר מומנטום לכיוון הפוטון המקורי (כדי לשמר מומנטום). התוצאה היא שהאטום יהיה עם פי 2 מהמהירות המקורית. אבל המקרה הנפוץ ביותר הוא שהפוטון נפלט בכיוון אחר (לא בכיוון הפוטון המקורי ולא בכיוון ההפוך לו), מה שנותן לאטום קצת דחיפה לצד.

ישנם דרכים נוספות לשינוי תדירויות. אחת מהן היא שינוי המיקום של הלייזר. לדוגמא, על ידי לייזר מונוכרומטי (צבע יחיד) בעל תדירות קצת מתחת לאחת מתדירויות ה "תהודה" של האטום ההוא (בתדירות מתחת לתדירות "תהודה" הלייזר לא ישפיע באופן ישיר על מצב האטום). אם הלייזר יהיה ממוקם כך שהוא זז לכיוון האטום, אז אפקט דופלר יעלה את תדירותו. במהירות אחת ספציפית, התדירות תהיה נכונה באופן מדויק לאטום בשביל שהוא יתחיל לספוג פוטונים.

משהו דומה מאוד קורה במנגנון קירור באמצעות לייזר, חוץ מכך שמכונות כאלו מתחילות עם ענן חם של אטומים שזזים במספר כיוונים במהירות משתנה. מתחילים עם תדירות לייזר ממש מתחת לתדירות ה "תהודה", פוטונים מכל לייזר עוברים דרך רוב האטומים. אך יש אטומים הזזים במהירות לכיוון לייזר ספציפי. האטומים הללו תופסים את הפוטונים של הלייזר, מה שמאט את האטומים האלו עד שהם נהיים בלתי נראים שוב. (אטומים שזזים במהירות בכיוון הנגדי מהלייזר בלתי נראים לפוטנים של הלייזר — אבל הם זזים במהירות לכיוון הלייזר שבכיוון הנגדי מהלייזר המקורי). השימוש במהירות ספציפית כדי לייצר ספיגה גם נראה בספקטרוסקופיית מסבאואר.

טמפרטורת דופלר

טמפרטורת דופלר היא הטמפרטורה המינימלית שאפשר להשיג בעזרת טכניקת קירור דופלר.

הנוסחא לטפרטורת דופלר הינה:

$$T_{\mathrm {Doppler} }=\hbar \gamma /(2k_{\text{B}}),$$

כאשר $k_{\text{B}}$ מייצג את קבוע בולצמן ו$\hbar$ מייצג את קבוע פלאנק.

עיקרון טמפרטורת דופלר אומת עם גז הליום מטסטבילי.

קירור לטמפרטורות נמוכות מטמפרטורת דופלר

קירור בעזרת לייזר לטמפרטורות נמוכות מטפרטורת דופלר אפשרי בעזרת שיטוט קירור אחרות כגון קירור סיזיפוס.