Il raffreddamento laser è un metodo per rallentare gli atomi, e quindi raffreddarli, usando i laser. In genere consideriamo i laser come elementi di riscaldamento, e certamente lo fanno su scale macroscopiche, ma per singoli atomi o piccoli gruppi di atomi, possono essere utilizzati per il raffreddamento. Le temperature più fredde mai generate, meno di mezzo miliardesimo di Kelvin (0.5 nanoKelvin), sono state raggiunte utilizzando una combinazione di raffreddamento laser e raffreddamento evaporativo. Queste temperature sono raggiunte con piccole quantità di gas diffusi.
Il meccanismo principale con cui il raffreddamento laser rallenta gli atomi è inducendoli ad assorbire ed emettere fotoni in direzioni casuali. Finché la velocità dell’atomo è maggiore della velocità di rinculo dell’emissione di fotoni, la velocità complessiva è ridotta. Se stavi galleggiando su un hovercraft, spostandoti a una velocità significativa in una direzione e lanciando casualmente palline metalliche dall’hovercraft, alla fine la tua velocità rallenterebbe e i tuoi movimenti sarebbero interamente dettati dall’effetto di rinculo del lancio delle palle. Ecco come funziona il raffreddamento laser.
Il raffreddamento laser mira selettivamente agli atomi che si muovono in determinate direzioni ea determinate velocità all’interno del gas. Sintonizzando la luce su una frequenza specifica, appena al di sotto della frequenza di risonanza della sostanza, la trappola laser prende di mira solo quegli atomi che si muovono verso di essa. Ciò è dovuto all’effetto Doppler: quando l’atomo si muove verso la sorgente laser, la frequenza della luce aumenta dal punto di vista di quell’atomo. Questa è la stessa ragione per cui la frequenza del suono varia quando un treno passa davanti a un osservatore fermo: la velocità relativa tra la sorgente e l’oggetto manipola la frequenza apparente. Per gli atomi che non si muovono a quella velocità di soglia, sono trasparenti al laser e quindi non ne risentono.
Quando la frequenza apparente della luce rispetto a certi atomi nella trappola di raffreddamento laser è giusta, l’atomo assorbe i fotoni in arrivo, diventa temporaneamente più energico, quindi emette un fotone. Quindi gli atomi che si muovono in una certa direzione al di sopra di una velocità di soglia vengono selettivamente rallentati dal dispositivo di raffreddamento laser. Disponendo i laser in una matrice tridimensionale, che circonda il gas diffuso, la velocità atomica in tutti e tre i gradi di libertà può essere smorzata, portando a un minor movimento atomico e quindi a una temperatura più bassa. Il gas deve essere diffuso per garantire che i fotoni non vengano riassorbiti dagli atomi adiacenti. Anche manipolare lentamente la frequenza del laser può essere utile, poiché potrebbe richiedere diverse fasi di raffreddamento per abbassare il gas alla temperatura desiderata. Fallo con attenzione, e forse otterrai quella borsa di studio che hai sempre desiderato.