ठंडा: कैसे भौतिकविदों ने लेजर कूलिंग के लिए सैद्धांतिक सीमा को पार किया और क्वांटम क्रांति की नींव रखी - भौतिकी विश्व

1960 के दशक के उत्तरार्ध में शोधकर्ताओं के एक छोटे समुदाय ने छोटी वस्तुओं को चारों ओर धकेलने के लिए प्रकाश बलों का उपयोग करना शुरू किया। अगले दशक के भीतर, इस क्षेत्र का विस्तार लेजर कूलिंग को शामिल करने के लिए किया गया, जो एक शक्तिशाली तकनीक है जो इसका फायदा उठाती है डॉपलर शिफ्ट एक ऐसा बल उत्पन्न करना जो केवल वस्तुओं को धीमा कर सकता है, और कभी भी उन्हें तेज़ नहीं कर सकता। जैसे-जैसे साल बीतते गए, ये नए लेजर कूलिंग प्रयोग दो समानांतर ट्रैक - आयन और परमाणु - के साथ विकसित हुए इस श्रृंखला का भाग 1: "ठंडा: कैसे भौतिकविदों ने लेजर कूलिंग के साथ कणों को हेरफेर करना और स्थानांतरित करना सीखा".

कई मायनों में, आयनों को शुरुआती लाभ मिला। अपने विद्युत आवेश के कारण, वे विद्युत चुम्बकीय बलों का अनुभव करते हैं, जो इतने मजबूत होते हैं कि उन्हें उच्च तापमान पर विद्युत चुम्बकीय जाल में फंसाया जा सकता है और पराबैंगनी तरंग दैर्ध्य पर लेजर द्वारा ठंडा किया जा सकता है। 1981 तक आयन ट्रैपर्स ने इस तकनीक को उस बिंदु तक परिष्कृत कर दिया था जहां वे एकल आयनों को फंसा सकते थे और उनका पता लगा सकते थे और अभूतपूर्व सटीकता के साथ उन पर स्पेक्ट्रोस्कोपी कर सकते थे।

इसके विपरीत, प्रकाश और चुंबकीय क्षेत्र द्वारा लगाए गए कमजोर बलों द्वारा फंसने से पहले परमाणुओं को धीमा करने की आवश्यकता होती है। फिर भी, 1985 तक बिल फिलिप्स और सहयोगियों पर अमेरिकी राष्ट्रीय मानक ब्यूरो गेथर्सबर्ग, मैरीलैंड में, उन्होंने प्रकाश का उपयोग करके सोडियम परमाणुओं की किरण को लगभग रोक दिया था, फिर उन्हें एक चुंबकीय जाल में कैद कर दिया था। इसके अलावा, भावी परमाणुओं को नियंत्रित करने वालों के लिए मुख्य चुनौती तटस्थ परमाणुओं को फँसाने को और अधिक कुशल बनाने और शीतलन प्रक्रिया की सीमाओं को आगे बढ़ाने के लिए इस कार्य पर काम करना शामिल है।

दोनों परियोजनाएँ किसी की भी उम्मीदों से परे सफल होंगी। और जैसा कि हमने भाग 1 में देखा, इस सफलता की जड़ें यहीं तक जाती हैं आर्थर अश्किन at बेल लैब्स.

विचार अच्छा, क्रियान्वयन अपर्याप्त

जब हम आखिरी बार अश्किन से मिले थे, तब वह 1970 था और उन्होंने "ऑप्टिकल ट्वीजिंग" तकनीक विकसित की थी, जिसके लिए उन्हें लगभग 50 साल बाद नोबेल पुरस्कार मिला था। 1970 के दशक के अंत तक वह अपने बेल लैब्स सहयोगियों के साथ परमाणु किरण से जुड़े प्रयोगों पर काम कर रहे थे। “रिक फ़्रीमैन मेरे पास एक परमाणु किरण मशीन थी, और मेरे पास कुछ प्रयोग थे जो परमाणु किरण के साथ करना दिलचस्प होगा, लेकिन मैं परमाणु किरण मशीन बनाने के बारे में बहुत उत्साहित नहीं था,'' एश्किन के तत्कालीन सहयोगी जॉन ब्योर्कहोम याद करते हैं।

परमाणुओं की किरण के साथ एक लेजर किरण को ओवरलैप करके, एश्किन और ब्योर्कहोम ने दिखाया कि प्रकाश की आवृत्ति को समायोजित करके परमाणुओं को फोकस या डी-फोकस करना संभव है। लेजर को लाल रंग में ट्यून करने से - परमाणुओं द्वारा अवशोषित करने की "इच्छा" की तुलना में थोड़ी कम आवृत्ति पर - परमाणुओं और प्रकाश के बीच की बातचीत परमाणुओं की आंतरिक ऊर्जा ("प्रकाश शिफ्ट") को कम कर देगी, जिससे परमाणु लेजर बीम में आ जाएंगे। लेजर को नीले रंग में ट्यून करने से परमाणु बाहर निकल गए।

एश्किन के पास इस घटना को परमाणुओं को फंसाने के लिए "ऑल-ऑप्टिकल" विधि में बदलने के लिए कई विचार थे (अर्थात, फिलिप्स समूह द्वारा उपयोग किए गए चुंबकीय क्षेत्र के बिना)। दुर्भाग्य से, एश्किन और ब्योर्कहोम को इसे लागू करने के लिए संघर्ष करना पड़ा क्योंकि फ्रीमैन का परमाणु बीम प्लेक्सीग्लास खिड़कियों के साथ बनाया गया था जो कम दबाव को सहन नहीं कर सका। जो परमाणु और अणु बाहर से लीक हुए, वे कूलिंग लेज़रों से प्रभावित नहीं हुए, और परिणामस्वरूप, जब वे किरण में परमाणुओं से टकराए, तो उन्होंने लक्ष्य परमाणुओं को जाल से बाहर निकाल दिया। कुछ वर्षों के निराशाजनक परिणामों के बाद, बेल लैब्स नेतृत्व ने प्रयोगों में खटास ला दी और एश्किन को अन्य चीजों को आगे बढ़ाने के लिए प्रेरित किया।

चिपचिपे तरल पदार्थ में तैरने वाला

लगभग इसी समय, एक युवा शोधकर्ता जिसकी (स्व-वर्णित) प्रतिष्ठा "एक ऐसे व्यक्ति के रूप में थी जो कठिन प्रयोग करवा सकता था" बेल लैब्स की होल्मडेल सुविधा में एश्किन के पास एक कार्यालय में चला गया। उसका नाम है स्टीव चू, और वह अश्किन के विचारों में रुचि लेने लगे। साथ में, उन्होंने परमाणुओं को ठंडा करने और फंसाने के लिए उपयुक्त एक अल्ट्राहाई वैक्यूम सिस्टम बनाया, साथ ही बदलते डॉपलर शिफ्ट की भरपाई के लिए लेजर आवृत्ति को तेजी से स्वीप करके सोडियम परमाणुओं को धीमा करने के लिए एक प्रणाली बनाई। बाद वाली तकनीक को "चिरप कूलिंग" के रूप में जाना जाता है; सुखद संयोग से, इसकी प्रमुख तकनीकों में से एक को विकसित करने वाले वैज्ञानिक भी होल्मडेल में थे।

इस बिंदु पर, चू ने सुझाव दिया कि वे परमाणुओं को काउंटर-प्रोपेगेटिंग लेजर बीम के तीन लंबवत जोड़े के साथ रोशन करके पूर्व-ठंडा करें, सभी परमाणुओं की संक्रमण आवृत्ति के ठीक नीचे की आवृत्ति पर ट्यून किए गए हैं जैसा कि भाग 1 में चर्चा की गई है। यह कॉन्फ़िगरेशन एक शीतलन बल प्रदान करता है सभी तीन आयामों में एक साथ: ऊपर की ओर बढ़ने वाला एक परमाणु नीचे की ओर जाने वाली लेजर किरण डॉपलर को देखता है, फोटॉन को अवशोषित करता है, और धीमा हो जाता है; बायीं ओर घूमने वाला एक परमाणु दाहिनी ओर जाने वाली किरण में फोटॉन को ऊपर की ओर स्थानांतरित होते हुए देखता है, इत्यादि। इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि परमाणु किस दिशा में चलते हैं, वे अपनी गति का विरोध करने वाली एक शक्ति महसूस करते हैं। एक चिपचिपे तरल पदार्थ में एक तैराक की दुर्दशा की समानता ने चू को इसे "ऑप्टिकल गुड़" (चित्र 1) करार दिया।

बेल लैब्स टीम ने 1985 में ऑप्टिकल गुड़ का प्रदर्शन किया, जिसमें एक ठंडी किरण से हजारों परमाणु एकत्र किए गए। जैसा कि नाम के अनुरूप है, ऑप्टिकल गुड़ बहुत "चिपचिपा" था, जिससे परमाणुओं को ओवरलैपिंग बीम में एक सेकंड के दसवें हिस्से (व्यावहारिक रूप से परमाणु भौतिकी में अनंत काल) के लिए बाहर घूमने से पहले रखा जाता था। गुड़ क्षेत्र में रहते हुए, परमाणु लगातार ठंडा लेजर से प्रकाश को अवशोषित और पुन: उत्सर्जित कर रहे हैं, इसलिए वे एक फैले हुए चमकते बादल के रूप में दिखाई देते हैं। प्रकाश की कुल मात्रा ने परमाणुओं की संख्या का एक आसान माप प्रदान किया।

एश्किन, चू और उनके सहयोगी भी परमाणुओं के तापमान का अनुमान लगाने में सक्षम थे। उन्होंने यह मापकर किया कि गुड़ में कितने परमाणु थे, थोड़े समय के लिए प्रकाश बंद कर दिया, फिर इसे वापस चालू किया और संख्या को फिर से मापा। अंधेरे अंतराल के दौरान परमाणु बादल का विस्तार होगा, और कुछ परमाणु गुड़ की किरणों के क्षेत्र से बच जाएंगे। इस पलायन दर ने टीम को परमाणुओं के तापमान की गणना करने की अनुमति दी: लगभग 240 माइक्रोकेल्विन - लेजर-ठंडा सोडियम परमाणुओं के लिए अपेक्षित न्यूनतम के अनुरूप।

गुड़ को जाल में बदलना

अपनी चिपचिपाहट के बावजूद, ऑप्टिकल गुड़ कोई जाल नहीं है। यद्यपि यह परमाणुओं को धीमा कर देता है, एक बार जब परमाणु लेजर बीम के किनारे पर चले जाते हैं, तो वे बच सकते हैं। इसके विपरीत, एक जाल एक बल की आपूर्ति करता है जो स्थिति पर निर्भर करता है, परमाणुओं को एक केंद्रीय क्षेत्र में वापस धकेलता है।

जाल बनाने का सबसे सरल तरीका कसकर केंद्रित लेजर बीम है, जो सूक्ष्म वस्तुओं को फंसाने के लिए एश्किन द्वारा विकसित ऑप्टिकल चिमटी के समान है। जबकि लेजर फोकस की मात्रा गुड़ की मात्रा का एक छोटा सा अंश है, एश्किन, ब्योर्कहोम और (स्वतंत्र रूप से) चू ने महसूस किया कि गुड़ में यादृच्छिक प्रसार के माध्यम से परमाणुओं की एक महत्वपूर्ण संख्या ऐसे जाल में जमा हो सकती है। जब उन्होंने अपने गुड़ में एक अलग, फँसाने वाली लेज़र किरण जोड़ी, तो परिणाम आशाजनक थे: फैले हुए गुड़ के बादल में एक छोटा चमकीला धब्बा दिखाई दिया, जो कई सौ फंसे हुए परमाणुओं का प्रतिनिधित्व करता था।

हालाँकि, इससे आगे निकलने में तकनीकी चुनौतियाँ पेश आईं। परेशानी यह है कि, परमाणु ऊर्जा के स्तर में बदलाव जो एकल-बीम ऑप्टिकल ट्रैपिंग को संभव बनाता है, शीतलन प्रक्रिया को बाधित करता है: जब ट्रैपिंग लेजर परमाणु की जमीनी स्थिति की ऊर्जा को कम करता है, तो यह कूलिंग लेजर की प्रभावी आवृत्ति डिट्यूनिंग को बदल देता है। दूसरे लेजर का उपयोग करने और ठंडा करने और फंसाने के बीच बारी-बारी से फंसने वाले परमाणुओं की संख्या में सुधार होता है, लेकिन अतिरिक्त जटिलता की कीमत पर। आगे प्रगति करने के लिए, भौतिकविदों को या तो ठंडे परमाणुओं या बेहतर जाल की आवश्यकता होगी।

फ़्रेंच कनेक्शन

दोनों क्षितिज पर थे. क्लाउड कोहेन-तन्नौदजी और पेरिस में इकोले नॉर्मले सुप्रीयर (ईएनएस) में उनका समूह मुख्य रूप से सैद्धांतिक पक्ष से लेजर कूलिंग को संबोधित कर रहा था। जीन डेलिबार्ड, फिर समूह में एक नव-निर्मित पीएचडी, एश्किन द्वारा सैद्धांतिक विश्लेषण का अध्ययन करना याद करता है जिम गॉर्डन ("एक शानदार पेपर") और वी की सोवियत जोड़ी द्वारालैडिलेन लेटोखोव और व्लादिमीर मिनोगिन, जो (बोरिस डी पावलिक के साथ)।) ने 1977 में लेज़र कूलिंग से प्राप्त होने योग्य न्यूनतम तापमान प्राप्त किया था।

जैसा कि हमने भाग 1 में देखा, इस न्यूनतम तापमान को डॉपलर शीतलन सीमा के रूप में जाना जाता है, और यह यादृच्छिक "किक" से उत्पन्न होता है जो तब होता है जब परमाणु शीतलन किरणों में से एक से प्रकाश को अवशोषित करने के बाद फोटॉन को फिर से उत्सर्जित करते हैं। यह जानने की उत्सुकता में कि यह "सीमा" वास्तव में कितनी दृढ़ थी, डेलिबार्ड ने परमाणुओं को यथासंभव "अंधेरे में" रखने के तरीकों की तलाश की। ऐसा करने के लिए, उन्होंने वास्तविक परमाणुओं की एक संपत्ति का फायदा उठाया जो मानक डॉपलर शीतलन सिद्धांत द्वारा कैप्चर नहीं किया गया है: वास्तविक परमाणु अवस्थाएं एकल ऊर्जा स्तर नहीं हैं, बल्कि समान ऊर्जा लेकिन विभिन्न कोणीय संवेग (चित्रा 2) के साथ उपस्तरों का संग्रह हैं।

ये विभिन्न उपस्तर, या संवेग अवस्थाएँ, चुंबकीय क्षेत्र (ज़ीमैन प्रभाव) की उपस्थिति में ऊर्जा को बदलते हैं। जैसे-जैसे क्षेत्र मजबूत होता जाता है, कुछ राज्यों में ऊर्जा बढ़ती है, जबकि अन्य में कमी आती है। जब फ़ील्ड की दिशा उलट जाती है तो ये भूमिकाएँ फ़्लिप हो जाती हैं। एक और जटिल कारक यह है कि लेजर प्रकाश का ध्रुवीकरण यह निर्धारित करता है कि कौन से उपस्तर फोटॉन को अवशोषित करेंगे। जबकि एक ध्रुवीकरण राज्यों के बीच परमाणुओं को इस तरह से स्थानांतरित करता है जिससे कोणीय गति बढ़ जाती है, वहीं दूसरा इसे कम कर देता है।

अपने सैद्धांतिक विश्लेषण में, डेलिबार्ड ने इन उपस्तरों को एक चुंबकीय क्षेत्र के साथ जोड़ा जो कुछ बिंदु पर शून्य है और जैसे-जैसे परमाणु बाहर की ओर बढ़ते हैं, बढ़ता जाता है। ऐसा करने में, उन्होंने एक ऐसी स्थिति बनाई जहां प्रभावी लेजर आवृत्ति डिट्यूनिंग परमाणुओं की स्थिति पर निर्भर करती थी। (फिलिप्स और सहकर्मियों ने अपने चुंबकीय जाल के लिए एक समान विन्यास का उपयोग किया, लेकिन बहुत अधिक क्षेत्र में।) इसलिए परमाणु एक विशेष लेजर से केवल उस विशिष्ट स्थान पर अवशोषित हो सकते हैं जहां डिट्यूनिंग, डॉपलर शिफ्ट और ज़ीमैन शिफ्ट का संयोजन बिल्कुल सही था ( चित्र तीन)।

डेलिबार्ड को उम्मीद थी कि इस तरह से प्रकाश को अवशोषित करने की परमाणुओं की क्षमता को सीमित करने से उनका न्यूनतम तापमान कम हो सकता है। जब उसने अनुमान लगाया कि ऐसा नहीं होगा, तो उसने इस विचार को खारिज कर दिया। "मैंने देखा कि यह एक जाल था, लेकिन मैं जाल की तलाश में नहीं था, मैं सब-डॉपलर कूलिंग की तलाश में था," वह बताते हैं।

यदि ऐसा न होता तो संभवतः यह यहीं समाप्त हो जाता डेव प्रिचर्डमैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के एक भौतिक विज्ञानी, जिन्होंने 1986 में पेरिस समूह का दौरा किया था। यात्रा के दौरान, प्रिचर्ड ने बड़ी मात्रा में जाल बनाने के विचारों पर एक भाषण दिया, और यह कहकर समाप्त किया कि वह अन्य - बेहतर - सुझावों का स्वागत करेंगे।

"मैं डेव के पास गया, और मैंने कहा 'ठीक है, मेरे पास एक विचार है, और मुझे पूरा यकीन नहीं है कि यह बेहतर है, लेकिन यह आपके विचार से अलग है," डेलिबार्ड याद करते हैं। प्रिचर्ड डेलिबार्ड के विचार को वापस अमेरिका ले गए और 1987 में उन्होंने और चू ने डेलिबार्ड के विश्लेषण के आधार पर पहला मैग्नेटो-ऑप्टिकल ट्रैप (एमओटी) बनाया। डेलिबार्ड को परिणामी पेपर के सह-लेखकत्व की पेशकश की गई थी, लेकिन वह केवल स्वीकृतियों में पहचाने जाने से खुश थे।

लेजर कूलिंग के विकास के लिए एमओटी कितना क्रांतिकारी था, यह कहना कठिन है। यह एक अपेक्षाकृत सरल उपकरण है, जिसमें मजबूत जाल बनाने के लिए केवल एक लेजर आवृत्ति और अपेक्षाकृत कमजोर चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता होती है। हालाँकि, सबसे अच्छी बात इसकी क्षमता है। चू और एश्किन के पहले ऑल-ऑप्टिकल जाल में सैकड़ों परमाणु थे, फिलिप्स के पहले चुंबकीय जाल में कई हजार परमाणु थे, लेकिन पहले मैग्नेटो-ऑप्टिकल जाल में दस मिलियन परमाणु थे। कोलोराडो विश्वविद्यालय में कार्ल वाइमन द्वारा सस्ते डायोड लेजर की शुरूआत के साथ (जिसके बारे में इस श्रृंखला के भाग 3 में अधिक बताया गया है), एमओटी के आगमन ने दुनिया भर में लेजर कूलिंग का अध्ययन करने वाले समूहों की संख्या में तेजी से विस्फोट किया। शोध की गति तेज़ होने वाली थी।

मर्फी का नियम अवकाश लेता है

जब प्रिचर्ड और चू पहले एमओटी का निर्माण कर रहे थे, फिलिप्स और उनके गेथर्सबर्ग सहयोगियों को अपने ऑप्टिकल गुड़ के साथ एक बेहद असामान्य समस्या का सामना करना पड़ रहा था। प्रायोगिक भौतिकी की हर अपेक्षा के विपरीत, गुड़ ने बहुत अच्छा काम किया। वास्तव में, यह अपने कुछ किरणों के आंशिक रूप से अवरुद्ध होने पर भी परमाणुओं को ठंडा कर सकता है।

यह खोज आंशिक रूप से इसलिए हुई क्योंकि लेजर कूलिंग को फिलिप्स का साइड प्रोजेक्ट माना जाता था, इसलिए उनकी प्रयोगशाला एक मशीन की दुकान से जुड़े तैयारी कक्ष में स्थापित की गई थी। दुकान की धूल और ग्रीस को लैब के वैक्यूम सिस्टम पर जमा होने से रोकने के लिए, समूह के सदस्य रात में सिस्टम की खिड़कियों को प्लास्टिक या फिल्टर पेपर से ढक देंगे। “कभी-कभी आपको यह वास्तव में विकृत दिखने वाला गुड़ मिल जाएगा,” याद करते हैं पॉल लेट, जो 1986 में समूह में शामिल हुए, “और तब आपको एहसास होगा कि, ओह, हमने फ़िल्टर पेपर का वह टुकड़ा बाहर नहीं निकाला। यह उल्लेखनीय था कि इसने बिल्कुल काम किया।''

इस आश्चर्यजनक दृढ़ता ने लेट को अधिक व्यवस्थित अध्ययन पर जोर देने के लिए प्रेरित किया, जिसमें तापमान माप का एक नया सेट भी शामिल था। बेल लैब्स समूह द्वारा विकसित "रिलीज़-एंड-रिकैप्चर" विधि में अपेक्षाकृत बड़ी अनिश्चितताएं थीं, इसलिए फिलिप्स समूह ने एक नई विधि की कोशिश की जिसमें गुड़ के पास रखे गए जांच बीम को पार करने वाले परमाणुओं के रूप में उत्सर्जित प्रकाश का पता लगाना शामिल था। जब गुड़ बंद कर दिया जाता तो परमाणु उड़ जाते। जांच तक पहुँचने में लगने वाले समय से उनके वेग और इस प्रकार उनके तापमान का सीधा माप मिल जाएगा।

सभी लेजर कूलिंग प्रयोगों की तरह, फिलिप्स की प्रयोगशाला ने बहुत सारे लेंस और दर्पणों को एक छोटी सी जगह में पैक किया, और जांच को रखने के लिए सबसे सुविधाजनक जगह गुड़ क्षेत्र से थोड़ा ऊपर निकली। इसे अपनी डॉपलर-सीमा गति से यात्रा करने वाले परमाणुओं के लिए ठीक काम करना चाहिए था, लेकिन जब लेट ने प्रयोग करने की कोशिश की, तो कोई भी परमाणु जांच तक नहीं पहुंचा। अंततः, उन्होंने और उनके सहयोगियों ने जांच की स्थिति को गुड़ के नीचे स्थानांतरित कर दिया, जिस बिंदु पर उन्हें एक सुंदर संकेत दिखाई दिया। केवल एक समस्या थी: डॉपलर शीतलन सीमा 240 माइक्रोकेल्विन थी, लेकिन इस "उड़ान-समय" माप में 40 माइक्रोकेल्विन का तापमान दिखाया गया था।

यह परिणाम मर्फी के नियम का उल्लंघन करता प्रतीत होता है, यह कहावत कि "जो कुछ भी गलत हो सकता है, वह होगा", इसलिए वे इसे तुरंत स्वीकार करने के लिए तैयार नहीं थे। उन्होंने कई अलग-अलग तकनीकों का उपयोग करके तापमान को फिर से मापा, जिसमें एक बेहतर रिलीज़-एंड-रिकैप्चर भी शामिल था, लेकिन उन्हें एक ही परिणाम मिलता रहा: सिद्धांत के अनुसार परमाणु कहीं अधिक ठंडे थे।

1988 की शुरुआत में फिलिप्स और कंपनी लेजर कूलर के घनिष्ठ समुदाय में अन्य समूहों तक पहुंचे, और उनसे अपनी प्रयोगशालाओं में तापमान की जांच करने के लिए कहा। चू और वाइमन ने तुरंत आश्चर्यजनक परिणाम की पुष्टि की: ऑप्टिकल गुड़ ने न केवल परमाणुओं को ठंडा करने के लिए काम किया, बल्कि यह सिद्धांत के अनुसार बेहतर काम करता था।

एक पहाड़ी पर चढ़ना

पेरिस समूह के पास अभी तक कोई प्रायोगिक कार्यक्रम नहीं था, लेकिन डेलिबार्ड और कोहेन-तन्नौदजी ने सैद्धांतिक रूप से उसी वास्तविक दुनिया के कारक के माध्यम से समस्या पर हमला किया, जिसका उपयोग डेलिबार्ड ने एमओटी: कई आंतरिक परमाणु राज्यों को विकसित करने के लिए किया था। सोडियम की जमीनी अवस्था में समान ऊर्जा वाले पांच उपस्तर होते हैं, और उन अवस्थाओं के बीच परमाणुओं का वितरण प्रकाश की तीव्रता और ध्रुवीकरण पर निर्भर करता है। यह वितरण प्रक्रिया, जिसे "ऑप्टिकल पंपिंग" कहा जाता है, कोहेन-तन्नौदजी के तहत पेरिस में ईएनएस में होने वाले स्पेक्ट्रोस्कोपिक अनुसंधान के लिए केंद्रीय थी, इसलिए उनका समूह यह पता लगाने के लिए विशिष्ट रूप से उपयुक्त था कि ये अतिरिक्त राज्य कैसे लेजर कूलिंग में सुधार कर सकते हैं।

मुख्य विशेषता लेज़र प्रकाश का ध्रुवीकरण है, जो शास्त्रीय भौतिकी में प्रकाश के दोलनशील विद्युत क्षेत्र की धुरी से मेल खाती है। छह प्रति-प्रसारित किरणों का संयोजन ध्रुवीकरण का एक जटिल वितरण उत्पन्न करता है क्योंकि किरणें ऑप्टिकल गुड़ के भीतर अलग-अलग स्थानों पर अलग-अलग तरीकों से संयोजित होती हैं। परमाणुओं को लगातार विभिन्न विन्यासों में वैकल्पिक रूप से पंप किया जा रहा है, जिससे शीतलन प्रक्रिया का विस्तार हो रहा है और कम तापमान की अनुमति मिल रही है।

1988 की गर्मियों तक डेलिबार्ड और कोहेन-तन्नौदजी ने सब-डॉपलर कूलिंग को समझाने के लिए एक सुंदर मॉडल तैयार किया था। (चू स्वतंत्र रूप से एक समान परिणाम पर पहुंचे, जिसे वह यूरोप में दो सम्मेलनों के बीच एक ट्रेन पर प्राप्त करना याद करते हैं।) उन्होंने केवल दो जमीनी राज्य उपस्तरों के साथ एक सरलीकृत परमाणु पर विचार किया, जिसे पारंपरिक रूप से -½ और +½ लेबल किया गया था, जो दो लेजर किरणों द्वारा प्रकाशित किया गया था। विपरीत रैखिक ध्रुवीकरण के साथ विपरीत दिशाएँ। यह एक पैटर्न बनाता है जो σ लेबल वाली दो ध्रुवीकरण स्थितियों के बीच वैकल्पिक होता है^- और σ⁺.

σ के क्षेत्र में एक परमाणु^- ध्रुवीकरण को वैकल्पिक रूप से -½ अवस्था में पंप किया जाएगा, जो एक बड़े प्रकाश बदलाव का अनुभव करता है जो इसकी आंतरिक ऊर्जा को कम करता है। जैसे ही परमाणु σ की ओर बढ़ता है⁺ ध्रुवीकरण क्षेत्र में, प्रकाश बदलाव कम हो जाता है, और परमाणु को क्षतिपूर्ति करने के लिए धीमा होना चाहिए, आंतरिक ऊर्जा में वृद्धि की भरपाई के लिए गतिज ऊर्जा खोनी चाहिए, जैसे एक गेंद पहाड़ी पर लुढ़कती है। जब यह σ तक पहुँच जाता है⁺ प्रकाश, ऑप्टिकल पंपिंग के कारण यह +½ स्थिति में स्विच हो जाएगा, जिसमें एक बड़ा प्रकाश बदलाव होता है। परमाणु को वह ऊर्जा वापस नहीं मिलती जो उसने σ से बाहर "पहाड़ी" पर चढ़ने में खो दी थी^- हालाँकि, यह क्षेत्र धीमी गति से आगे बढ़ रहा है क्योंकि प्रक्रिया फिर से शुरू होती है: जैसे-जैसे यह अगले σ की ओर बढ़ता है प्रकाश बदलाव कम हो जाता है^- क्षेत्र, इसलिए यह ऊर्जा खो देता है, फिर वैकल्पिक रूप से -½ तक पंप हो जाता है, और इसी तरह।

लगातार "पहाड़ियों" पर चढ़ने से ऊर्जा खोने की इस प्रक्रिया ने एक ज्वलंत नाम प्रदान किया: डेलिबार्ड और कोहेन-तन्नौदजी ने इसे ग्रीक मिथक में राजा के नाम पर सिसिफस कूलिंग करार दिया, जिसे एक पहाड़ी पर एक बोल्डर को धकेलने के लिए अनंत काल तक खर्च करने की निंदा की गई थी, जिसके बाद चट्टान खिसक गई। दूर जाएं और नीचे की ओर लौटें (चित्र 4)। ऑप्टिकल गुड़ में परमाणु खुद को एक समान दुविधा में पाते हैं, हमेशा पहाड़ियों पर चढ़ते हैं और ऊर्जा खोते हैं, लेकिन ऑप्टिकल पंपिंग उन्हें नीचे तक लौटा देती है और उन्हें फिर से शुरू करने के लिए मजबूर करती है।

सिसिफ़स के पुरस्कार

सिसिफस शीतलन के पीछे का सिद्धांत न्यूनतम तापमान के बारे में ठोस भविष्यवाणी करता है और यह लेजर डिट्यूनिंग और चुंबकीय क्षेत्र पर कैसे निर्भर करता है। दुनिया भर की प्रयोगशालाओं में इन भविष्यवाणियों की तुरंत पुष्टि की गई। 1989 की शरद ऋतु में जर्नल ऑफ़ द ऑप्टिकल सोसाइटी ऑफ़ अमेरिका बी लेज़र कूलिंग पर एक विशेष अंक प्रकाशित किया जिसमें गैथर्सबर्ग में फिलिप्स समूह के प्रयोगात्मक परिणाम, पेरिस से सिसिफस सिद्धांत और चू के समूह से एक संयुक्त प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक पेपर शामिल था, जो तब तक बेल लैब्स से कैलिफोर्निया में स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय में स्थानांतरित हो चुका था। अगले दशक के अधिकांश समय में, इस विशेष अंक को लेज़र कूलिंग को समझने के इच्छुक छात्रों के लिए निश्चित स्रोत के रूप में माना गया, और कोहेन-तन्नौदजी और चू ने इसे साझा किया। 1997 भौतिकी के लिए नोबेल पुरस्कार फिलिप्स के साथ.

अपनी सीमा तक ले जाने पर, सिसिफस प्रभाव परमाणुओं को उस बिंदु तक ठंडा कर सकता है जहां उनके पास एक भी "पहाड़ी" पर चढ़ने के लिए पर्याप्त ऊर्जा नहीं रह जाती है और इसके बजाय वे एकल ध्रुवीकरण के एक छोटे से क्षेत्र तक ही सीमित हो जाते हैं। यह कारावास फंसे हुए आयनों के लिए जितना कड़ा है, लेजर कूलिंग की दो शाखाओं को अच्छी तरह से सममित बनाता है। 1990 के दशक की शुरुआत में फंसे हुए आयनों और तटस्थ परमाणुओं दोनों को एक ऐसे शासन में ठंडा किया जा सकता था जहां उनकी क्वांटम प्रकृति स्पष्ट हो जाती थी: एक जाल में एक आयन, या सिसिफ़स शीतलन में बनाए गए "कुएं" में एक परमाणु, केवल कुछ अलग ऊर्जा में मौजूद हो सकता है राज्य. इन अलग-अलग स्थितियों को जल्द ही दोनों प्रणालियों के लिए मापा गया; आज, वे परमाणुओं और आयनों के साथ क्वांटम कंप्यूटिंग का एक अनिवार्य हिस्सा हैं।

अनुसंधान का एक और दिलचस्प पहलू स्वयं कुओं से संबंधित है। ये तब बनते हैं जब प्रकाश किरणें हस्तक्षेप करती हैं, और स्वाभाविक रूप से लेजर तरंग दैर्ध्य के आधे के अंतर के साथ बड़े सरणी में होती हैं। इन तथाकथित ऑप्टिकल जाली की आवधिक प्रकृति ठोस पदार्थ की सूक्ष्म संरचना की नकल करती है, जिसमें परमाणु क्रिस्टल जाली में इलेक्ट्रॉनों की भूमिका निभाते हैं। यह समानता फंसे हुए परमाणुओं को सुपरकंडक्टिविटी जैसी संघनित-पदार्थ भौतिकी घटनाओं की खोज के लिए एक उपयोगी मंच बनाती है।

हालाँकि, वास्तव में ठंडे परमाणुओं के साथ अतिचालकता का पता लगाने के लिए, जाली को उच्च घनत्व और उससे भी कम तापमान पर परमाणुओं से भरा जाना चाहिए जो सिसिफ़स शीतलन के साथ प्राप्त किया जा सकता है। जैसा कि हम भाग 3 में देखेंगे, वहां पहुंचने के लिए उपकरणों और तकनीकों के एक और नए सेट की आवश्यकता होगी, और न केवल ज्ञात प्रणालियों के एनालॉग्स, बल्कि पदार्थ की पूरी तरह से नई अवस्थाएं बनाने की संभावना खुलेगी।

• लेज़र कूलिंग के इतिहास का भाग 3 चाड ओरज़ेल जल्द ही प्रकाशित किया जाएगा भौतिकी की दुनिया

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• स्रोत: https://physicsworld.com/a/colder-how-physicists-beat-the-theoretical-limit-for-laser-cooling-and-laid-the-foundations-for-a-quantum-revolution/