WikiDer > Laserkühlung
Laserkühlung ist ein Kältetechnik das nutzt Laser in einem sein Gas extrem niedrige Temperaturen erreichen. Es waren die Entwicklungen in der achtziger Jahre in diesem Bereich, der die Gründung der ersten untermauerte Bose-Einstein-Kondensate 1995. Die einfachste Form der Laserkühlung ist die sogenannte optische Melasse.
Die Idee hinter der Technologie
Die Laserkühlung beruht im Wesentlichen auf drei Aspekten der physikalischen Welt:
- Die Geschwindigkeiten der Teilchen eines Gases verteilen sich nach einer wohldefinierten statistischen Verteilung (Boltzmann-Verteilung), die auf bestimmte Weise mit der Temperatur des Systems verknüpft werden kann.
- Das Welle-Teilchen-Dualität des Quantenmechanik.
- Das Gesetz von Aktion und Reaktion von Newton.
Aus dem ersten Punkt lässt sich ableiten, dass bei einer durchschnittlich langsameren Teilchenbewegung die Temperatur des Systems abgesenkt wird, was auf zwei Arten erreicht werden kann; zum einen kann man die sich am schnellsten bewegenden Partikel aus dem System entfernen und somit die Durchschnittsgeschwindigkeit und damit Temperatur des Systems senken, dies ist die Grundlage dafür Verdunstungskühlung basiert. Andererseits kann man die Geschwindigkeit von berechnen alle Partikel im Durchschnitt. Darauf basiert die Laserkühlung.
Dafür ist die Frequenz von dem Licht eines Lasers etwas unterhalb der Anregungsenergie der verwendeten Atome. Bewegen sich die Atome gegen den Laserstrahl, wird das blaue Dopplerverschiebung bewirkt, dass die Frequenz des Laserlichts näher an der Anregungsenergie liegt, damit diese Atome leichter de Photonen wird absorbieren. Wenn sie sich jedoch mit dem Strahl bewegen, tritt eine Rot-Doppler-Verschiebung auf, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass die Atome Photonen absorbieren. Impuls so dass im ersten Fall die Atome abgebremst und im zweiten Fall beschleunigt werden Da durch die Dopplerverschiebungen mehr Atome abgebremst als beschleunigt werden, ist die volle Wirkung bzw. das gesamte System eine durchschnittliche Abbremsung in Richtung des Laserstrahl.
Beim Zerfall vom angeregten Zustand (nach Absorption eines Photons) in den Grundzustand wird ein Photon vom Atom in eine beliebige Richtung emittiert. Durch diese Emission eines Photons muss das Atom aufgrund der Impulserhaltung auch eine Impulsänderung in die entgegengesetzte Richtung erfahren.
Da sich dieser Vorgang viele Male wiederholt, sollte man sich über den Beitrag des Zerfallsvorgangs keine Sorgen machen, da das Photon in a zufällig Richtung, so dass das Nettoergebnis vieler solcher Zerfälle, bevor das Atom auf Null gemittelt wird.
Das Nettoergebnis des gesamten Prozesses ist also eine durchschnittliche Verzögerung in eine bestimmte Richtung. Durch die Verwendung von sechs Lasern (links, rechts, vorne, hinten, unten und oben) kann eine allgemeine Bewegung verlangsamt werden. Eine solche Konstruktion wird optische Melasse (oder optisches Gitter) genannt.
Einschränkungen
Es ist jedoch nicht möglich, ein Gas auf diese Weise zu verwenden, bis es Absoluter Nullpunkt zu kühlen, oder anders ausgedrückt, alle Atome zum vollkommenen Stillstand zu bringen.
Aufgrund der spontanen Emission von Photonen (Zerfallsteil des Prozesses) und der Quantisierung der Energie der Photonen () tragen die Atome a zielloser Spaziergang in den Impulsraum, in Schritten gleich dem Impuls der Photonen. Dadurch entsteht ein Erwärmungseffekt, der der Abkühlung entgegenwirkt und diese sogar begrenzt.Die niedrigste Temperatur, bei der sich diese beiden Mechanismen ausgleichen, wird als Dopplertemperatur erwähnt. Dies ist die niedrigste Temperatur, die mit Doppler-Kühlung (dem System mit 6 Lasern aus dem vorherigen Abschnitt) erreicht werden kann.
Will man jedoch noch niedrigere Temperaturen erreichen, müssen andere Techniken eingesetzt werden. Zum Beispiel kann man die Sisyphos-Kühlung, benannt nach der mythologischen Figur Sisyphos, eine Laserkühltechnik, bei der das sogenannte Rückstoßgrenze kühlen kann.