लेजर शीतलन

[[File:Doppler laser cooling.svg|thumb|upright|200px|डॉपलर लेजर शीतलन का सरलीकृत सिद्धांत:

1997 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार क्लाउड कोहेन-तन्नौदजी, स्टीवन चू और विलियम डैनियल फिलिप्स को लेजर प्रकाश के साथ परमाणुओं को ठंडा करने और शांत करने की विधि के विकास के लिए प्रदान किया गया था।

विकिरण दबाव
विकिरण दबाव वह बल है जो विद्युत चुम्बकीय विकिरण पदार्थ पर लगाता है। 1873 में मैक्सवेल ने विद्युत चुंबकत्व पर अपना ग्रंथ प्रकाशित किया जिसमें उन्होंने विकिरण दबाव की भविष्यवाणी की है। लेबेडेव द्वारा प्रथम बार बल का प्रयोगात्मक प्रदर्शन किया गया था और 1900 में पेरिस में सम्मेलन में इसकी रिपोर्ट दी गई थी, और अंत में 1901 में अधिक विस्तार से प्रकाशित किया गया था। लेबेडेव के माप के पश्चात अर्नेस्ट फॉक्स निकोल्स और गॉर्डन फेरी हल ने भी 1901 में विकिरण दबाव के बल का प्रदर्शन किया, और 1903 में परिष्कृत माप की रिपोर्ट दी गई थी।

1933 में, ओटो फ्रिस्क ने प्रकाश के साथ सोडियम परमाणुओं की परमाणु किरण को विक्षेपित किया। यह प्रतिध्वनित अवशोषक पर कार्य करने वाले विकिरण दबाव का प्रथम अनुभव था।

लेजर शीतलन प्रस्ताव
परमाणु परिवर्तन प्रयोगों में लेज़रों के प्रारम्भ ने 1970 के दशक के मध्य में लेज़र शीतलन प्रस्तावों के आगमन के रूप में कार्य किया। लेजर शीतलन को 1975 में दो भिन्न-भिन्न अनुसंधान समूहों द्वारा विभिन्न प्रकार से प्रस्तावित किया गया था: हैन्श और आर्थर लियोनार्ड शॉलो, और डेविड वाइनलैंड और हंस जॉर्ज डेहमेल्ट द्वारा प्रस्तावित किया गया था। दोनों प्रस्तावों ने विकिरण बलों के साथ परमाणुओं में ऊष्मा-आधारित वेग को धीमा करने की प्रक्रिया की रूपरेखा प्रस्तुत की गई थी। हैन्श और शॉलो के पेपर में, प्रकाश को प्रतिबिंबित करने वाली किसी भी वस्तु पर विकिरण दबाव के प्रभाव का वर्णन किया गया है। वह अवधारणा तब गैस में परमाणुओं के ठंडा होने से जुड़ी थी। लेज़र शीतलन के ये प्रारंभिक प्रस्ताव केवल प्रकीर्णन बल, विकिरण दबाव के नाम, पर निर्भर थे।

1970 के दशक के उत्तरार्ध में, आर्थर एश्किन ने बताया कि कैसे विकिरण बलों का उपयोग परमाणुओं को ठंडा करने और ट्रैप के लिए किया जा सकता है। उन्होंने इस विषय पर महत्त्व दिया कि कैसे यह प्रक्रिया ट्रैप से निकले परमाणुओं के बिना लंबे स्पेक्ट्रोस्कोपी माप की अनुमति दे सकती है और विभिन्न परमाणुओं के मध्य इंटरैक्टिव अध्ययन के लिए प्रकाशिकी ट्रैप के ओवरलैपिंग का प्रस्ताव दिया।

प्रारंभिक अनुभूति

1978 में एश्किन के पत्र का सूक्ष्मता से अनुसरण करते हुए, दो शोध समूहों: वाइनलैंड, ड्रुलिंगर और वॉल्स, और न्यूहौसर, होहेनस्टैट, टॉस्चेक और डेहमेल्ट ने उस कार्य को और परिष्कृत किया था। विशेष रूप से, वाइनलैंड, ड्रुलिंगर और वॉल्स स्पेक्ट्रोस्कोपी के सुधार से चिंतित थे। समूह ने विकिरण दबाव का उपयोग करके प्रक्रिया के माध्यम से प्रयोगात्मक रूप से परमाणुओं के ठंडा होने का प्रदर्शन करने के विषय में लिखा। वे ऑप्टिकल ट्रैप में विकिरण दबाव का उपयोग करने के लिए प्राथमिकता का दृष्टांत देते हैं, फिर भी डॉपलर प्रभाव की उपस्थिति के कारण पिछले मॉडल की अप्रभावीता की आलोचना करते हैं। प्रभाव को कम करने के प्रयास में, उन्होंने कमरे के तापमान से नीचे मैगनीशियम आयनों को ठंडा करने का वैकल्पिक उपाय प्रारम्भ किया था। मैग्नीशियम आयनों को समाहित करने के लिए विद्युत चुम्बकीय ट्रैप का उपयोग करते हुए, उन्होंने परमाणुओं की अनुनाद आवृत्ति के कठिन चरण से बाहर लेजर के साथ उन पर बमबारी की थी। दोनों समूहों के शोध ने प्रकाश के यांत्रिक गुणों को चित्रित करने का कार्य किया था। इस समय के निकट, लेजर शीतलन प्रौद्योगिकी ने तापमान को लगभग 40 केल्विन तक कम करने की अनुमति दी थी।

लेज़र शीतलन आयनों पर वाइनलैंड के कार्य से प्रभावित होकर, विलियम डैनियल फिलिप्स ने लेज़र कूल न्यूट्रल परमाणुओं पर समान सिद्धांत प्रारम्भ किए थे। 1982 में, उन्होंने प्रथम पेपर प्रकाशित किया जिसमें तटस्थ परमाणुओं को लेजर से ठंडा किया गया था। उपयोग की जाने वाली प्रक्रिया को अब ज़ीमैन स्लोअर के रूप में जाना जाता है और यह परमाणु किरण को धीमा करने की मानक प्रौद्योगिकी है।

परमाणु
विद्युत द्विध्रुव संक्रमण के लिए डॉपलर शीतलन सीमा सामान्यतः सैकड़ों माइक्रोकेल्विन में होती है। 1980 के दशक में इस सीमा को न्यूनतम प्राप्य तापमान के रूप में देखा गया था। तब आश्चर्य हुआ जब सोडियम परमाणुओं को 43 माइक्रोकेल्विन तक ठंडा किया गया जबकि उनकी डॉपलर शीतलन सीमा 240 माइक्रोकेल्विन है, नए निम्न स्तर को लेजर ध्रुवीकरण के संयोजन में अधिक परमाणु राज्यों को जोड़कर समझाया गया था। लेज़र शीतलन की पिछली अवधारणाएँ बहुत सरल होने का निर्णय लिया गया था। 70 और 80 के दशक में प्रमुख लेजर शीतलन सफलताओं ने पहले से उपस्थित प्रौद्योगिकी में कई सुधार किए और पूर्ण शून्य से थोड़ा ऊपर तापमान के साथ नई खोजें कीं। परमाणु घड़ियों को अधिक सटीक बनाने और स्पेक्ट्रोस्कोपिक माप में सुधार करने के लिए शीतलन प्रक्रियाओं का उपयोग किया गया, और अल्ट्राकोल्ड तापमान पर पदार्थ की नई स्थिति का अवलोकन किया गया।  पदार्थ की नई अवस्था, बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट, 1995 में एरिक एलिन कॉर्नेल, कार्ल वाइमन और वोल्फगैंग केटरले द्वारा देखी गई थी। लेजर शीतलन का उपयोग मुख्य रूप से अल्ट्राकोल्ड परमाणुओं को बनाने के लिए किया गया था। उदाहरण के लिए, क्वांटम भौतिकी में प्रयोगों को पूर्ण शून्य के करीब करने की आवश्यकता होती है जहां बोस-आइंस्टीन संक्षेपण जैसे अद्वितीय क्वांटम प्रभाव देखे जा सकते हैं। ऑप्टिकल घड़ी प्रयोगों में लेजर शीतलन भी प्राथमिक उपकरण है।

अणु
2010 में, येल की टीम ने डायटोमिक अणु को सफलतापूर्वक लेजर-कूल्ड किया। 2016 में, एमपीक्यू के समूह ने ऑप्टोइलेक्ट्रिक सिसिफ़स शीतलन के माध्यम से फॉर्मेल्डिहाइड को 420 μK तक सफलतापूर्वक ठंडा किया। 2022 में, हार्वर्ड के समूह ने सफलतापूर्वक लेजर कूल्ड किया और CaOH को मैग्नेटो-ऑप्टिकल जाल में 720(40) μK तक फंसाया था।

यांत्रिक प्रणाली

2007 में, MIT टीम ने मैक्रो-स्केल (1 ग्राम) ऑब्जेक्ट को 0.8 K तक सफलतापूर्वक लेजर-कूल्ड किया। 2011 में, कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी और वियना विश्वविद्यालय की टीम  (10 माइक्रोन x 1 माइक्रोन) यांत्रिक वस्तु को उसकी क्वांटम ग्राउंड अवस्था में लेजर-कूल करने वाली पहली टीम बनी।

विधि
लेजर शीतलन का प्रथम उदाहरण, और अभी भी सबसे सामान्य विधि (इतना कि इसे अभी भी प्रायः 'लेजर शीतलन' के रूप में संदर्भित किया जाता है) डॉप्लर शीतलन है।

डॉपलर शीतलन
डॉपलर शीतलन, जो सामान्यतः मैग्नेटो-ऑप्टिकल ट्रैप देने के लिए चुंबकीय ट्रैपिंग बल के साथ होती है, लेजर शीतलन अब तक की सबसे सामान्य विधि है। इसका उपयोग अल्प घनत्व वाली गैसों को डॉपलर शीतलन सीमा तक ठंडा करने के लिए किया जाता है, जो रूबिडियम-85 के लिए लगभग 150 माइक्रोकेल्विन है।

डॉपलर शीतलन में, प्रारंभ में, प्रकाश की आवृत्ति को परमाणु में इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण से थोड़ा नीचे ट्यून किया जाता है। चूँकि प्रकाश संक्रमण के लाल (अर्थात, अल्प आवृत्ति पर) पर ट्यून किया जाता है, डॉपलर प्रभाव के कारण, यदि परमाणु प्रकाश स्रोत की ओर बढ़ते हैं, तो वे अधिक फोटॉन को अवशोषित करेंगे। इस प्रकार यदि कोई दो विपरीत दिशाओं से प्रकाश प्रारम्भ करता है, तो परमाणु सदैव अपनी गति की दिशा के विपरीत संकेत करते हुए लेजर बीम से अधिक फोटॉन विस्तारित करते हैं। प्रत्येक प्रकीर्णन घटना में परमाणु फोटॉन के संवेग के समान संवेग लुप्त कर देता है। यदि परमाणु, जो अब उत्तेजित अवस्था में है, अनायास फोटॉन उत्सर्जित करता है, तो इसे उसी मात्रा में गति से किक किया जाएगा, किन्तु यादृच्छिक दिशा में किया जाता है। चूंकि प्रारंभिक गति परिवर्तन शुद्ध हानि (गति की दिशा के विपरीत) है, जबकि पश्चात का परिवर्तन यादृच्छिक है, अवशोषण और उत्सर्जन प्रक्रिया का संभावित परिणाम परमाणु की गति को अल्प करना है, और इसलिए इसकी गति - इसकी प्रारंभिक प्रदान की गई है गति फोटॉन को विस्तारित करने से उत्पन्न होने वाली पुनरावृत्ति गति से अधिक थी। यदि अवशोषण और उत्सर्जन को कई बार दोहराया जाता है, तो औसत गति और इसलिए परमाणु की गतिज ऊर्जा अल्प हो जाएगी। चूँकि परमाणुओं के समूह का तापमान औसत यादृच्छिक आंतरिक गतिज ऊर्जा का माप है, यह परमाणुओं को ठंडा करने के समान है।

एंटी-स्टोक्स शीतलन
एंटी-स्टोक्स शीतलन का विचार सबसे प्रथम 1929 में प्रिंग्सहेम द्वारा आगे बढ़ाया गया था। जबकि डॉपलर शीतलन प्रतिरूप के ट्रांसलेशनल तापमान को अल्प करता है, एंटी-स्टोक्स शीतलन माध्यम के कंपन या फोनन उत्तेजना को अल्प करता है। यह किसी पदार्थ को निचली ऊर्जा अवस्था से उच्चतर अवस्था में लेज़र बीम के साथ पंप करके पूर्ण किया जाता है और इसके पश्चात उसे और भी निचली ऊर्जा अवस्था में उत्सर्जित किया जाता है। कुशल शीतलन के लिए मुख्य नियम यह है कि अंतिम अवस्था में एंटी-स्टोक्स उत्सर्जन दर अन्य राज्यों की तुलना में अधिक बड़ी हो और साथ ही गैर-विकिरणीय शिथिलता दर भी हो। क्योंकि कंपन या फोनन ऊर्जा डॉपलर चौड़ीकरण से जुड़ी ऊर्जा से कई गुना बड़ी हो सकती है, एंटी-स्टोक्स शीतलन के लिए व्यय किए गए प्रति लेजर फोटॉन की ऊष्मा विस्थापन की दक्षता डॉपलर शीतलन की तुलना में अधिक हो सकती है। एंटी-स्टोक्स शीतलन प्रभाव को सर्वप्रथम सीओ में डीजेउ और व्हिटनी द्वारा CO2 गैस में प्रदर्शित किया गया था। किसी ठोस में प्रथम एंटी-स्टोक्स शीतलन एपस्टीन एट अल द्वारा येटेरबियम डोप्ड फ्लोराइड ग्लास के प्रतिरूप में प्रदर्शित किया गया था।

ठोस पदार्थों के एंटी-स्टोक्स शीतलन के लिए संभावित व्यावहारिक अनुप्रयोगों में विकिरण संतुलित ठोस अवस्था लेजर और कंपन-मुक्त ऑप्टिकल प्रशीतन सम्मिलित हैं।

अन्य विधियाँ

लेजर शीतलन के अन्य विधियों में सम्मिलित हैं:
 * सिसिफस शीतलन
 * साइडबैंड शीतलन का समाधान किया गया।


 * रमन साइडबैंड शीतलन
 * वेग चयनात्मक सुसंगत जनसंख्या ट्रैपिंग (वीएससीपीटी)
 * ग्रे मोलासेस
 * ऑप्टिकल मोलासेस
 * कैविटी-मध्यस्थता शीतलन
 * ज़ीमैन स्लोवर का उपयोग करें।
 * विद्युतचुंबकीय रूप से प्रेरित पारदर्शिता (ईआईटी) शीतलन
 * ठोस पदार्थों में एंटी-स्टोक्स शीतलन
 * ध्रुवीकरण ढाल शीतलन

यह भी देखें

 * कण किरण शीतलन
 * कण किरण शीतलन
 * कण किरण शीतलन
 * कण किरण शीतलन
 * कण किरण शीतलन
 * कण किरण शीतलन
 * कण किरण शीतलन
 * कण किरण शीतलन

अतिरिक्त स्रोत

 * लेजर शीतलन हाइपरफिजिक्स
 * लेजर शीतलन हाइपरफिजिक्स
 * लेजर शीतलन हाइपरफिजिक्स
 * लेजर शीतलन हाइपरफिजिक्स

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