लेजर शीतलन

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

1997 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार सी भुजा,  स्टीवन चु  और विलियम डैनियल फिलिप्स को लेजर प्रकाश के साथ परमाणुओं को ठंडा करने और फंसाने के तरीकों 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। इस बल का प्रायोगिक तौर पर पहली बार प्रदर्शन पेट्र लेबेडेव द्वारा किया गया था और 1900 में पेरिस में सम्मेलन में इसकी रिपोर्ट दी गई थी, और बाद में 1901 में अधिक विस्तार से प्रकाशित हुआ। लेबेदेवा के माप के बाद अर्नेस्ट फॉक्स निकोल्स और गॉर्डन फेरी हल ने भी 1901 में विकिरण दबाव के बल का प्रदर्शन किया, 1903 में रिपोर्ट की गई  परिष्कृत माप के साथ। 1933 में, ओटो फ्रिस्क ने प्रकाश के साथ सोडियम परमाणुओं की परमाणु किरण को विक्षेपित किया। यह गुंजयमान अवशोषक पर कार्य करने वाले विकिरण दबाव का पहला एहसास था।

लेजर कूलिंग प्रस्ताव
परमाणु हेरफेर प्रयोगों में लेज़रों की शुरूआत ने 1970 के दशक के मध्य में लेज़र शीतलन प्रस्तावों के आगमन के रूप में कार्य किया। लेजर कूलिंग को 1975 में दो अलग-अलग अनुसंधान समूहों द्वारा अलग से प्रस्तावित किया गया था: थियोडोर डब्ल्यू. हैनश|हैनश और आर्थर लियोनार्ड शॉलो, और डेविड वाइनलैंड और हंस जॉर्ज डेहमेल्ट। दोनों प्रस्तावों ने विकिरण बलों के साथ परमाणुओं में गर्मी-आधारित वेग को धीमा करने की प्रक्रिया की रूपरेखा तैयार की। 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 कूलिंग के ये शुरुआती प्रस्ताव केवल प्रकीर्णन बल, विकिरण दबाव का नाम, पर निर्भर थे।

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

प्रारंभिक अहसास

1978 में एश्किन के पत्र का बारीकी से अनुसरण करते हुए, दो शोध समूहों: वाइनलैंड, ड्रुलिंगर और वॉल्स, और न्यूहौसर, होहेनस्टैट, टॉस्चेक और डेहमेल्ट ने उस काम को और परिष्कृत किया। 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 बारे में लिखा। वे ऑप्टिकल ट्रैप में विकिरण दबाव का उपयोग करने के लिए  प्राथमिकता का हवाला 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 लागू किया। मैग्नीशियम आयनों को समाहित करने के लिए विद्युत चुम्बकीय जाल का उपयोग करते हुए, उन्होंने परमाणुओं की अनुनाद आवृत्ति से बमुश्किल चरण से बाहर लेजर के साथ उन पर बमबारी की। दोनों समूहों के शोध ने प्रकाश के यांत्रिक गुणों को चित्रित करने का काम किया। इस समय के आसपास, लेजर शीतलन तकनीकों ने तापमान को लगभग 40 केल्विन तक कम करने की अनुमति दी थी।

लेज़र कूलिंग आयनों पर वाइनलैंड के काम से प्रभावित होकर, विलियम डैनियल फिलिप्स ने लेज़र कूल न्यूट्रल परमाणुओं पर समान सिद्धांत लागू किए। 1982 में, उन्होंने पहला पेपर प्रकाशित किया जिसमें तटस्थ परमाणुओं को लेजर से ठंडा किया गया। उपयोग की जाने वाली प्रक्रिया को अब ज़ीमन धीमा के रूप में जाना जाता है और यह परमाणु किरण को धीमा करने की मानक तकनीक 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 कूलिंग की पिछली अवधारणाएँ बहुत सरल होने का निर्णय लिया गया था। 70 और 80 के दशक में प्रमुख लेजर कूलिंग सफलताओं ने पहले से उपस्थित तकनीक 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 कूलिंग 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 कूलिंग भी प्राथमिक उपकरण है।

अणु
2010 में, येल की टीम ने  डायटोमिक अणु को सफलतापूर्वक लेजर-ठंडा किया। 2016 में, Max-Planck-Institut_für_Quantenoptik के  समूह ने ऑप्टोइलेक्ट्रिक सिसिफ़स कूलिंग के माध्यम से formaldehyde 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।

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।

तरीके
लेजर कूलिंग का पहला उदाहरण, और अभी भी सबसे आम तरीका (इतना कि इसे अभी भी प्रायः 'लेजर कूलिंग' के रूप में संदर्भित किया जाता है) डॉप्लर शीतलन है।

डॉपलर शीतलन
डॉपलर कूलिंग, जो सामान्यतःमैग्नेटो-ऑप्टिकल ट्रैप देने के लिए चुंबकीय ट्रैपिंग बल के साथ होती है, लेजर कूलिंग का अब तक का सबसे आम तरीका है। इसका उपयोग कम घनत्व वाली गैसों को डॉपलर शीतलन सीमा तक ठंडा करने के लिए किया जाता है, जो रूबिडियम-85 के लिए लगभग 150 विक: माइक्रोकेल्विन है।

डॉपलर कूलिंग में, प्रारंभ में, प्रकाश की आवृत्ति को परमाणु में इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण से थोड़ा नीचे ट्यून किया जाता है। चूँकि प्रकाश संक्रमण के लाल (अर्थात, कम आवृत्ति पर) लेज़र से ट्यून हो रहा 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 लागू करता है, तो परमाणु हमेशा अपनी गति की दिशा के विपरीत इंगित करते हुए लेजर बीम से अधिक फोटॉन बिखेरेंगे। प्रत्येक प्रकीर्णन घटना में परमाणु फोटॉन के संवेग के बराबर संवेग खो 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, लेकिन यादृच्छिक दिशा में। चूंकि प्रारंभिक गति परिवर्तन  शुद्ध हानि (गति की दिशा के विपरीत) है, जबकि बाद का परिवर्तन यादृच्छिक है, अवशोषण और उत्सर्जन प्रक्रिया का संभावित परिणाम परमाणु की गति को कम करना है, और इसलिए इसकी गति - इसकी प्रारंभिक प्रदान की गई है गति  फोटॉन को बिखेरने 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 कम हो जाएगी। चूँकि परमाणुओं के समूह का तापमान औसत यादृच्छिक आंतरिक गतिज ऊर्जा का  माप है, यह परमाणुओं को ठंडा करने के बराबर है।

एंटी-स्टोक्स कूलिंग
एंटी-स्टोक्स कूलिंग का विचार सबसे पहले 1929 में प्रिंग्सहेम द्वारा आगे बढ़ाया गया था। जबकि डॉपलर कूलिंग नमूने के ट्रांसलेशनल तापमान को कम करता है, एंटी-स्टोक्स कूलिंग  माध्यम के कंपन या फोनन उत्तेजना को कम करता है। यह किसी पदार्थ को निचली ऊर्जा अवस्था से उच्चतर अवस्था में लेज़र बीम के साथ पंप करके पूरा किया जाता है और इसके बाद उसे और भी निचली ऊर्जा अवस्था में उत्सर्जित किया जाता है। कुशल शीतलन के लिए मुख्य शर्त यह है कि अंतिम अवस्था में एंटी-स्टोक्स उत्सर्जन दर अन्य राज्यों की तुलना में काफी बड़ी हो और साथ ही गैर-विकिरणीय विश्राम दर भी हो। क्योंकि कंपन या फोनन ऊर्जा डॉपलर चौड़ीकरण से जुड़ी ऊर्जा से कई गुना बड़ी हो सकती है, एंटी-स्टोक्स कूलिंग के लिए खर्च किए गए प्रति लेजर फोटॉन की गर्मी हटाने की दक्षता डॉपलर कूलिंग की तुलना में अधिक हो सकती है। एंटी-स्टोक्स शीतलन प्रभाव को सबसे पहले सीओ में डीजेउ और व्हिटनी द्वारा प्रदर्शित किया गया था2 गैस. किसी ठोस में पहला एंटी-स्टोक्स कूलिंग एपस्टीन एट अल द्वारा प्रदर्शित किया गया था। येटेरबियम डोप्ड फ्लोराइड ग्लास के नमूने में। 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 कूलिंग के अन्य तरीकों में सम्मिलित हैं: साइडबैंड कूलिंग का समाधान किया गया का समाधान
 * सिसिफस का ठंडा होना
 * रमन शीतलन
 * वेग चयनात्मक सुसंगत जनसंख्या ट्रैपिंग (वीएससीपीटी)
 * ग्रे गुड़
 * ऑप्टिकल गुड़
 * गुहा-मध्यस्थता शीतलन
 * ज़ीमन धीमी गति का उपयोग करें
 * विद्युतचुंबकीय रूप से प्रेरित पारदर्शिता|विद्युतचुंबकीय रूप से प्रेरित पारदर्शिता (ईआईटी) शीतलन
 * #एंटी-स्टोक्स कूलिंग|ठोस पदार्थों में एंटी-स्टोक्स कूलिंग
 * 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 कूलिंग हाइपरफिजिक्स
 * लेजर कूलिंग हाइपरफिजिक्स
 * लेजर कूलिंग हाइपरफिजिक्स
 * लेजर कूलिंग हाइपरफिजिक्स

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