¿Cómo funciona el enfriamiento de Sísifo en una imagen de fotones?

Hace algunos años, durante mi maestría, tomé un curso corto sobre materia fría, que incluía un componente sobre enfriamiento por láser y atrapamiento impartido por Ed Hinds. En la conferencia sobre el enfriamiento de Sísifo , afirma que

desde el punto de vista cuántico, esta fuerza se debe a la dispersión estimulada de fotones de un haz a otro.

Ciertamente suena razonable, por lo que simplemente se me quedó en la cabeza tal como está, pero me llamaron en un comentario reciente , que dice que

cada esquema de enfriamiento necesita emisión espontánea de una forma u otra

y eso definitivamente también suena razonable: sin duda, cualquier esquema de enfriamiento debe involucrar algún tipo de paso irreversible (o al menos termodinámicamente no trivial) en algún punto.

Más concretamente, el conflicto señaló principalmente que realmente no entiendo cómo funciona exactamente este esquema de enfriamiento. El entendimiento habitual es que dos haces de luz que se propagan en sentido contrario con polarización opuesta crearán una rejilla de polarización, que oscilará entre la polarización lineal y las dos polarizaciones circulares, y esto introducirá un cambio de energía dependiente de la posición para el metro = ± 1 / 2 componentes del estado fundamental a través del cambio dinámico de Stark (es decir, cambio de luz). Luego, el átomo rueda cuesta arriba, perdiendo energía cinética en energía potencial de manera reversible, y luego hace una transición hacia abajo a la otra curva, dejándolo con otra colina para escalar al igual que Sísifo.

Supongo que aquí es donde me pierdo: ¿ cuál es la naturaleza precisa de estas transiciones? ¿Hacia dónde va exactamente la energía, qué cantidad hay allí y qué campos intervienen para hacer esto? Decir que son los campos láser originales los que causan esta transición me parece falso, ya que ya están en juego en la creación de la red óptica, pero tal vez haya una forma más rigurosa de explicar ambos efectos al mismo tiempo.

Además de esto, ¿la transición es espontánea o estimulada? Si es lo último, ¿cómo cuadra con la termodinámica del enfriamiento? En cualquier caso, ¿adónde va la entropía en el movimiento del centro de masa? En el caso del enfriamiento Doppler, esto es relativamente fácil de ver: el átomo absorbe fotones de manera ordenada pero los emite espontáneamente en cualquier lugar, pero aquí está menos claro a dónde va la energía y, por lo tanto, también es más difícil hacer un seguimiento de eso. entropía

Finalmente, ¿cómo surge el límite de retroceso para el esquema anterior? Obviamente, hay algunas transferencias de fotones entre los haces para explicar esto, pero la naturaleza de la transición (entre dos estados fundamentales que pueden estar arbitrariamente cerca, ya que la división dinámica de Stark depende de la polarizabilidad, que podría ser arbitrariamente pequeña) tipo de oscurece esto, a menos que haya alguna forma de dispersión de un haz al otro, que, como se indicó anteriormente, parece difícil de extraer de la división.

No creo que me sienta cómodo con el enfriamiento de Sísifo de "espacio libre", pero cuando el sistema se coloca en una cavidad óptica, la disipación no se produce por emisión espontánea sino por fuga del campo de la cavidad a través de los espejos. No estoy seguro de a qué tiene acceso, pero aquí hay un artículo de revisión donde la primera sección (que no es de Introducción) trata sobre el enfriamiento de la cavidad Sísifo .
@march Hice este comentario sobre la emisión espontánea, y lo hice en un contexto que compara el enfriamiento Doppler con el enfriamiento Sísifo. Más precisamente, debería ser "Cada esquema de enfriamiento necesita disipación de una forma u otra". Tiene toda la razón en que los métodos de enfriamiento de la cavidad pueden funcionar sin emisión espontánea, y que aquí las pérdidas a través del espejo proporcionan disipación.

Respuestas (1)

Así que aquí está mi primera toma, que no responde a todas sus preguntas.

Las interacciones coherentes con los láseres, incluida la redistribución estimulada de fotones de un haz a otro, conducen a un gradiente de energías de los estados vestidos: la fuerza dipolar. Esta fuerza es conservativa y proporciona el potencial óptico de oscilación espacial según el nivel m interno del átomo, como lo muestran las líneas azul y roja de su imagen. Un átomo en movimiento en algún estado m interno puede correr "cuesta arriba" perdiendo energía cinética y "cuesta abajo" ganando energía cinética. Debido a que la fuerza del dipolo es conservativa, no puede proporcionar enfriamiento por sí misma.

El punto clave en este esquema de enfriamiento es el bombeo óptico entre diferentes niveles m, que es un proceso disipativo y está representado por la flecha curva que sube y baja en la imagen. El bombeo óptico significa que un fotón láser se absorbe y luego se emite espontáneamente al espacio libre, posiblemente cambiando el nivel m interno. Una cosa importante a tener en cuenta es que el bombeo óptico es "lento" en el sentido de que no sigue el movimiento del átomo adiabáticamente sino con cierto retraso. Las tasas de bombeo óptico dependen del ancho de línea natural y la desafinación del estado excitado, la intensidad y la polarización del campo eléctrico (en la posición del átomo) y los coeficientes de Clebsch-Gordan. El enfriamiento de Sísifo funciona porque es más probable que ocurra un bombeo óptico de m=1/2 a m=-1/2 cuando el átomo está en la cima de la colina de potencial m=1/2, en comparación con el proceso de bombeo óptico inverso que contribuye al calentamiento. Un argumento análogo es cierto a partir del nivel m=-1/2.

En este proceso de bombeo óptico más probable, la energía del fotón absorbido es menor que la energía del fotón emitido espontáneamente, aquí es donde se lleva la energía. La diferencia de energías, igual a la diferencia de los potenciales ópticos de los dos niveles m, se compensa con una pérdida de energía cinética.

Para analizar el límite de temperatura de un esquema de enfriamiento, se deben comparar las fuerzas de fricción con la difusión competidora (calentamiento). El límite de retroceso es un límite inferior para el enfriamiento de Sísifo porque corresponde a la difusión de un fotón emitido espontáneamente inicialmente en reposo. Esta emisión espontánea no se encuentra entre dos estados fundamentales, hay un estado excitado intermedio involucrado que solo se insinúa en su imagen. No estoy seguro de si es trivial o no que el enfriamiento de Sisyphus pueda alcanzar el límite de retroceso, tal vez alguien más pueda completarlo. Creo que recuerdo algunos análisis anteriores donde el resultado es del mismo orden pero superior al límite de retroceso.

De hecho, el límite de retroceso es fundamental para los métodos de enfriamiento en el espacio libre que se basan únicamente en la emisión espontánea (dirigida al azar). Los métodos que pueden ir más allá del límite de retroceso son, por ejemplo, el enfriamiento de banda lateral donde una trampa absorbe el momento del fotón, métodos de selección de velocidad (por ejemplo, captura de población coherente selectiva por velocidad ), enfriamiento de cavidad o enfriamiento por evaporación .

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