डॉप्लर शीतलन: Difference between revisions

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

|स्थिर परमाणु लेजर को न तो लाल देखता है और न ही नीला-स्थानांतरित होता है और फोटॉन को अवशोषित नहीं करता है।

|लेज़र से दूर जाने वाला परमाणु इसे लाल-स्थानांतरित देखता है और फोटॉन को अवशोषित नहीं करता है।

|लेज़र की ओर बढ़ने वाला परमाणु इसे नीला-शिफ्टेड देखता है और फोटॉन को अवशोषित कर लेता है, जिससे परमाणु धीमा हो जाता है।

|फोटॉन परमाणु को उत्तेजित करता है,   इलेक्ट्रॉन को उच्च क्वांटम अवस्था में ले जाता है।

|परमाणु फोटॉन को पुनः उत्सर्जित करता है। चूंकि इसकी दिशा यादृच्छिक है, इसलिए अनेक फोटॉन पर गति में कोई शुद्ध परिवर्तन नहीं होता है।

|}]]'''डॉपलर शीतलन''' ऐसा तंत्र है जिसका उपयोग किसी पदार्थ को [[ठंडा]] करने के लिए परमाणुओं की [[गति (भौतिकी)]] को जालक और धीमा करने के लिए किया जा सकता है। इस शब्द का प्रयोग कभी-कभी [[लेजर शीतलन]] के पर्यायवाची के रूप में किया जाता है, चूँकि लेज़र शीतलन में अन्य तकनीकें भी सम्मिलित हैं।

डॉपलर शीतलन को 1975 में दो समूहों द्वारा साथ प्रस्तावित किया गया था, पहला डेविड जे. वाइनलैंड और [[हंस जॉर्ज डेहमेल्ट]] थे।<ref name=Wineland1975>

}}</ref> और दूसरे थे थियोडोर डब्ल्यू. हैन्श और [[आर्थर लियोनार्ड शॉलो]] थे <ref name=Shawlow1975>

  }}</ref> इसे पहली बार 1978 में वाइनलैंड, ड्रुलिंगर और वॉल्स द्वारा प्रदर्शित किया गया था <ref>

  }}</ref> और कुछ ही समय पश्चात् न्यूहौसर, होहेनस्टैट, टोस्चेक और डेहमेल्ट द्वारा <ref>

  }}</ref> डॉपलर शीतलन के वैचारिक रूप से सरल रूप को [[ऑप्टिकल गुड़|ऑप्टिकल मोलासेस]] कहा जाता है, क्योंकि विघटनकारी ऑप्टिकल बल मोलासेस के माध्यम से चलने वाले शरीर पर श्यान खिंचाव जैसा दिखता है। [[ स्टीवन चु |स्टीवन चु]] क्लाउड कोहेन तनौडजी, और विलियम डी. फिलिप्स को लेजर शीतलन और एटम ट्रैपिंग में उनके कार्य के लिए भौतिकी में 1997 के नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।<ref>{{cite web | title = The Nobel Prize in Physics 1997 | publisher = Nobel Foundation | url = http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1997/index.html | access-date = 9 October 2008 | archive-url = https://web.archive.org/web/20081007171154/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1997/index.html | archive-date = 7 October 2008 | url-status = live }}</ref>.

डॉपलर शीतलन में परमाणु में [[इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण|इलेक्ट्रॉनिक परिवर्तन]] से थोड़ा नीचे ट्यून की गई आवृत्ति वाला प्रकाश सम्मिलित होता है। चूँकि प्रकाश परिवर्तन के लाल (अर्थात् कम आवृत्ति पर) लेज़र से ट्यून हो रहा है, [[डॉपलर प्रभाव]] के कारण, यदि परमाणु प्रकाश स्रोत की ओर बढ़ते हैं, तो वह अधिक फोटॉन को अवशोषित करेंगे।

x अक्ष पर 1D [[गति]] के सबसे सरल स्थिति पर विचार करें। माना कि फोटॉन +x दिशा में और परमाणु −x दिशा में यात्रा कर रहा है। प्रत्येक अवशोषण घटना में, परमाणु फोटॉन की गति के समान गति खो देता है। परमाणु, जो अब उत्तेजित अवस्था में है, स्वत: किन्तु यादृच्छिक रूप से +x या −x के अनुदिश फोटॉन उत्सर्जित करता है। गति परमाणु में वापस आ जाती है। यदि फोटॉन +x के साथ उत्सर्जित होता है तो कोई शुद्ध परिवर्तन नहीं होता है; चूँकि, यदि फोटॉन −x के अनुदिश उत्सर्जित होता है, तो परमाणु −x या +x में अधिक धीमी गति से आगे बढ़ रहा है।

अवशोषण और उत्सर्जन प्रक्रिया का शुद्ध परिणाम परमाणु की कम गति है, इस नियम पर कि इसकी प्रारंभिक गति एकल फोटॉन को प्रकीर्ण से पीछे हटने के [[वेग|गति]] से बड़ी है। यदि अवशोषण और उत्सर्जन को विभिन्न बार दोहराया जाता है, तो औसत वेग और इसलिए परमाणु की [[गतिज ऊर्जा]] कम हो जाएगी। चूँकि परमाणुओं के समूह का [[तापमान]] यादृच्छिक आंतरिक गतिज ऊर्जा का माप है, यह परमाणुओं को ठंडा करने के समान है।

अधिकांश फोटॉन जो किसी विशेष परमाणु के निकट कहीं भी आते हैं, लगभग होते हैं <ref>There are processes, such as [[Rayleigh scattering|Rayleigh]] and [[Raman scattering]], by which atoms and molecules will scatter non-resonant photons; see, e.g., {{cite book |last1=Hecht |first1=E. |last2=Zajac|first2=A. |year=1974 |title=Optics |publisher=[[Addison-Wesley]] |isbn=978-0-201-02835-5}} This type of scattering, however, is normally very weak in comparison to resonant absorption and emission (i.e., fluorescence).</ref> उस परमाणु से पूर्णतः अप्रभावित परमाणु फोटॉन की अधिकांश आवृत्तियों (रंगों) के लिए लगभग पूरी तरह से पारदर्शी है।

कुछ फोटॉन आवृत्तियों के कुछ बहुत ही संकीर्ण बैंड ([[उत्सर्जन चित्र|उत्सर्जन प्रकाश]] जैसे मिश्रण के अतिरिक्त रंग) में परमाणु के साथ प्रतिध्वनित होते हैं। जब उन फोटॉनों में से परमाणु के निकट आता है, तो परमाणु सामान्यतः अल्प समय के लिए उस फोटॉन ([[अवशोषण स्पेक्ट्रम]]) को अवशोषित करता है, फिर कुछ यादृच्छिक, अप्रत्याशित दिशा में समान फोटॉन (उत्सर्जन स्पेक्ट्रम) उत्सर्जित करता है। (परमाणुओं और फोटॉनों के बीच अन्य प्रकार की अंतःक्रियाएं उपस्थित हैं, किन्तु इस लेख के लिए प्रासंगिक नहीं हैं।)

यह लोकप्रिय विचार कि लेज़र पदार्थ की तापीय ऊर्जा को बढ़ाते हैं, व्यक्तिगत परमाणुओं की जांच करते समय ऐसा नहीं होता है। यदि कोई दिया गया परमाणु व्यावहारिक रूप से गतिहीन ( ठंडा परमाणु) है, और उस पर केंद्रित लेजर की आवृत्ति को नियंत्रित किया जा सकता है, तो अधिकांश आवृत्तियाँ परमाणु को प्रभावित नहीं करती हैं - यह उन आवृत्तियों पर अदृश्य है। विद्युत चुम्बकीय आवृत्ति के कुछ ही बिंदु ऐसे होते हैं जिनका उस परमाणु पर कोई प्रभाव पड़ता है। उन आवृत्तियों पर, उत्तेजित इलेक्ट्रॉनिक अवस्था में परिवर्तन करते समय, परमाणु लेजर से फोटॉन को अवशोषित कर सकता है, और उस फोटॉन की गति को पकड़ सकता है। चूँकि परमाणु में अब फोटॉन की गति है, इसलिए परमाणु को उस दिशा में बहना प्रारंभ कर देना चाहिए जिस दिशा में फोटॉन यात्रा कर रहा था। अल्प समय पश्चात्, परमाणु स्वचालित रूप से यादृच्छिक दिशा में फोटॉन उत्सर्जित करेगा क्योंकि यह निम्न इलेक्ट्रॉनिक स्थिति में आराम करेगा। यदि वह फोटॉन मूल फोटॉन की दिशा में उत्सर्जित होता है, तो परमाणु अपना संवेग फोटॉन को निरुपित कर देगा और फिर से गतिहीन हो जाएगा। यदि फोटॉन विपरीत दिशा में उत्सर्जित होता है, तो परमाणु को उस विपरीत दिशा में गति प्रदान करनी होगी, जिसका अर्थ है कि परमाणु मूल फोटॉन की दिशा में और भी अधिक गति पकड़ लेगा (संवेग को संरक्षित करने के लिए), अपने मूल वेग को दोगुना कर देगा। किन्तु सामान्यतः फोटॉन किसी अन्य दिशा में गति करता है, जिससे परमाणु को कम से कम कुछ निकट में बल मिलता है।

आवृत्तियों को परिवर्तित करने का अन्य विधि लेजर की स्थिति को परिवर्तित करना है, उदाहरण के लिए, मोनोक्रोमैटिक (एकल-रंग) लेजर का उपयोग करके जिसकी आवृत्ति इस परमाणु की प्रतिध्वनि आवृत्तियों में से से थोड़ी कम है (जिस आवृत्ति पर लेजर परमाणु की स्थिति पर सीधे प्रभाव नहीं पड़ेगा)। यदि लेज़र को इस प्रकार स्थापित किया जाए कि वह प्रेक्षित परमाणुओं की ओर बढ़ रहा हो, तो डॉपलर प्रभाव इसकी आवृत्ति बढ़ा देता है। विशिष्ट वेग पर, उक्त परमाणुओं द्वारा फोटॉन को अवशोषित करना प्रारंभ करने के लिए आवृत्ति बिल्कुल सही होती है।

लेज़र शीतलन उपकरण में भी कुछ ऐसा ही होता है, अतिरिक्त इसके कि ऐसे उपकरण परमाणुओं के गर्म बादल से प्रारंभ होते हैं जो भिन्न-भिन्न वेग से विभिन्न दिशाओं में चलते हैं। प्रतिध्वनि आवृत्ति से अधिक नीचे लेजर आवृत्ति से प्रारंभ करके, किसी लेजर से फोटॉन अधिकांश परमाणुओं से होकर निकलते हैं। चूँकि, किसी विशेष लेजर की ओर तेजी से बढ़ने वाले परमाणु उस लेजर के लिए फोटॉन को पकड़ लेते हैं, उन परमाणुओं को धीमा कर देते हैं जब तक कि वह फिर से पारदर्शी न हो जाएं। (उस लेज़र से तेजी से दूर जाने वाले परमाणु उस लेज़र के फोटॉन के लिए पारदर्शी होते हैं - किन्तु वह तेजी से लेज़र के ठीक विपरीत की ओर बढ़ रहे होते हैं)। अवशोषण को प्रेरित करने के लिए विशिष्ट वेग का यह उपयोग मोसबाउर स्पेक्ट्रोस्कोपी में भी देखा जाता है।

परमाणु वेगों के ग्राफ पर (तेजी से दाईं ओर जाने वाले परमाणु दाईं ओर दूर स्थित स्थिर बिंदुओं के अनुरूप होते हैं, बाईं ओर तेजी से बढ़ने वाले परमाणु बाईं ओर स्थिर बिंदुओं के अनुरूप होते हैं), बाएं किनारे पर संकीर्ण बैंड होता है जिस गति से वह परमाणु बाएं लेजर से फोटॉन को अवशोषित करना प्रारंभ करते हैं। उस बैंड के परमाणु ही एकमात्र ऐसे हैं जो बाएं लेज़र से संपर्क करते हैं। जब बाएं लेज़र से फोटॉन उन परमाणुओं में से से टकराता है, तो यह अचानक उस फोटॉन की गति के अनुरूप मात्रा को धीमा कर देता है (बिंदु को दाईं ओर कुछ निश्चित क्वांटम दूरी पर फिर से खींचा जाएगा)। यदि परमाणु फोटॉन को सीधे दाहिनी ओर छोड़ता हैटी, फिर बिंदु को बाईं ओर उसी दूरी पर फिर से खींचा जाता है, इसे वापस इंटरेक्शन के संकीर्ण बैंड में डाल दिया जाता है। किन्तु सामान्यतः परमाणु फोटॉन को किसी अन्य यादृच्छिक दिशा में छोड़ता है, और बिंदु उस क्वांटम दूरी को विपरीत दिशा में फिर से खींचता है।

इस तरह के उपकरण का निर्माण विभिन्न लेज़रों के साथ किया जाएगा, जो विभिन्न सीमा रेखाओं के अनुरूप होंगे जो बिंदुओं के उस बादल को पूरी तरह से घेर लेंगे।

जैसे-जैसे लेज़र आवृत्ति बढ़ती है, सीमा संकुचित है, उस ग्राफ़ पर सभी बिंदुओं को शून्य वेग की ओर आवर्नित है,जिसे ठंड की परिभाषा दी गई है।

जब फोटॉन परमाणु द्वारा प्रकाश स्रोत के प्रति-प्रचारित होकर [[अवशोषण (प्रकाशिकी)]] करता है, तो संवेग के संरक्षण से इसका वेग कम हो जाता है। जब अवशोषित फोटॉन उत्तेजित अवस्था परमाणु द्वारा स्वत: उत्सर्जित होता है, तो परमाणु को यादृच्छिक दिशा में गति किक प्राप्त होती है। स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन आइसोट्रॉपी है और इसलिए यह गति औसत वेग के लिए औसत को शून्य कर देती है। दूसरी ओर, माध्य वर्ग वेग, <math>\langle v^2\rangle</math>, यादृच्छिक प्रक्रिया में शून्य नहीं है, और इस प्रकार परमाणु को ऊष्मा की आपूर्ति की जाती है।<ref>

  }}</ref> संतुलन पर, ताप और शीतलन दरें समान होती हैं, जो उस मात्रा की सीमा निर्धारित करती है जिसके द्वारा परमाणु को ठंडा किया जा सकता है। चूंकि डॉपलर शीतलन के लिए उपयोग किए जाने वाले संक्रमणों में व्यापक [[प्राकृतिक लाइनविड्थ]] <math>\gamma</math> ([[रेडियन प्रति सेकंड]] में मापा जाता है) होते हैं यह ठंडा होने के पश्चात् परमाणुओं के तापमान की निचली सीमा निर्धारित करता है<ref>

जहाँ <math>k_\text{B}</math> बोल्ट्ज़मैन स्थिरांक है और <math>\hbar</math> प्लैंक स्थिरांक है। यह सामान्यतः रिकॉइल तापमान से बहुत अधिक होता है, जो फोटॉन के सहज उत्सर्जन से प्राप्त गति से जुड़ा तापमान होता है।

डॉपलर सीमा से अधिक नीचे का तापमान विभिन्न लेजर शीतलन विधियों से प्राप्त किया गया है, जिसमें सिसिफस शीतलन, [[बाष्पीकरणीय शीतलन (परमाणु भौतिकी)]], और हल किए गए साइडबैंड शीतलन सम्मिलित हैं। डॉपलर शीतलन का सिद्धांत सरल दो स्तरीय संरचना वाले परमाणु को मानता है, जबकि अधिकांश परमाणु प्रजातियां जो लेजर से ठंडा होती हैं उनमें सम्मिश्र हाइपरफाइन संरचना होती है। विभिन्न प्रष्ठीय स्थितियों के कारण सिसिफस के ठंडा होने जैसे तंत्रों के कारण तापमान डॉपलर सीमा से कम हो जाता है।

ऊष्मा के रूप में फोटॉन के गैस में अवशोषण को रोकने के लिए सांद्रता न्यूनतम होनी चाहिए। यह अवशोषण तब होता है जब दो परमाणु दूसरे से टकराते हैं जबकि उनमें से में उत्तेजित इलेक्ट्रॉन होता है। इसके पश्चात् उत्तेजित इलेक्ट्रॉन के वापस प्रष्ठीय अवस्था में गिरने की संभावना होती है और इसकी अतिरिक्त ऊर्जा टकराने वाले परमाणुओं में अतिरिक्त गतिज ऊर्जा के रूप में मुक्त हो जाती है - जो परमाणुओं को गर्म करती है। यह शीतलन प्रक्रिया के विरुद्ध कार्य करता है और इसलिए गैस की अधिकतम सांद्रता को सीमित करता है जिसे इस विधि का उपयोग करके ठंडा किया जा सकता है।

केवल कुछ परमाणुओं और आयनों में लेजर शीतलन के लिए ऑप्टिकल परिवर्तन होते हैं, क्योंकि 300 एनएम से बहुत कम तरंग दैर्ध्य पर आवश्यक लेजर शक्ति की मात्रा उत्पन्न करना अत्यधिक कठिन होता है। इसके अतिरिक्त, किसी परमाणु की जितनी अधिक [[अति सूक्ष्म संरचना|अतिसूक्ष्म संरचना]] होती है, उसके लिए ऊपरी अवस्था से फोटॉन उत्सर्जित करने और अपनी मूल स्थिति में वापस न लौटने के उतने ही अधिक विधि होते हैं, इसे अंधेरे अवस्था में डालकर शीतलन प्रक्रिया से हटा दिया जाता है। उन परमाणुओं को वापस उत्तेजित अवस्था में [[ऑप्टिकल पंपिंग]] करने और फिर से प्रयास करने के लिए अन्य लेज़रों का उपयोग करना संभव है, किन्तु हाइपरफाइन संरचना जितनी अधिक सम्मिश्र होती है, उतनी ही अधिक (संकीर्ण-बैंड, आवृत्ति लॉक) लेज़रों की आवश्यकता होती है। चूँकि फ़्रीक्वेंसी-लॉक लेज़र सम्मिश्र और मूल्यवान दोनों होते हैं, जिन परमाणुओं को से अधिक अतिरिक्त रिपंप लेज़र की आवश्यकता होती है, उन्हें अत्यधिक ही कभी ठंडा किया जाता है; उदाहरण के लिए, सामान्य [[ रूबिडीयाम |रूबिडीयाम]] [[ मैग्नेटो-ऑप्टिकल जाल |मैग्नेटो-ऑप्टिकल जालक]] के लिए रिपंप लेजर की आवश्यकता होती है। यही कारण है कि अणुओं को लेजर से ठंडा करना सामान्यतः कठिन होता है: अति सूक्ष्म संरचना के अतिरिक्त, अणुओं में [[ रोविब