Le refroidissement laser est une méthode pour ralentir les atomes, et donc les refroidir, à l’aide de lasers. En règle générale, nous considérons les lasers comme un échauffement, et ils le font certainement à des échelles macroscopiques, mais pour des atomes individuels ou de petits groupes d’atomes, ils peuvent être utilisés pour le refroidissement. Les températures les plus froides jamais générées, moins d’un demi-milliardième de Kelvin (0.5 nanoKelvins), ont été atteintes en utilisant une combinaison de refroidissement laser et de refroidissement par évaporation. Ces températures sont atteintes avec de minuscules quantités de gaz diffus.
Le principal mécanisme par lequel le refroidissement laser ralentit les atomes est de les faire absorber et émettre des photons dans des directions aléatoires. Tant que la vitesse de l’atome est supérieure à la vitesse de recul de l’émission de photons, la vitesse globale est réduite. Si vous flottiez sur un aéroglisseur, que vous vous déplaciez à une vitesse importante dans une direction et que vous lanciez au hasard des balles métalliques hors de l’aéroglisseur, votre vitesse finirait par ralentir et vos mouvements seraient entièrement dictés par l’effet de recul du lancement des balles. C’est ainsi que fonctionne le refroidissement laser.
Le refroidissement laser cible sélectivement les atomes se déplaçant dans certaines directions et à certaines vitesses dans le gaz. En réglant la lumière sur une fréquence spécifique, juste en dessous de la fréquence de résonance de la substance, le piège laser ne cible que les atomes qui se dirigent vers lui. Cela est dû à l’effet Doppler – lorsque l’atome se déplace vers le laser source, la fréquence de la lumière augmente du point de vue de cet atome. C’est la même raison pour laquelle la fréquence du son varie à mesure qu’un train passe devant un observateur immobile – la vitesse relative entre la source et l’objet manipule la fréquence apparente. Pour les atomes ne se déplaçant pas à cette vitesse seuil, ils sont transparents au laser et ne sont donc pas affectés par celui-ci.
Lorsque la fréquence apparente de la lumière par rapport à certains atomes dans le piège de refroidissement laser est juste, l’atome absorbe les photons entrants, devient temporairement plus énergétique, puis émet un photon. Ainsi, les atomes se déplaçant dans une certaine direction au-dessus d’une vitesse seuil sont sélectivement ralentis par le dispositif de refroidissement laser. En disposant les lasers dans une matrice tridimensionnelle, entourant le gaz diffus, la vitesse atomique dans les trois degrés de liberté peut être atténuée, conduisant à moins de mouvement atomique et donc à une température plus basse. Le gaz doit être diffus pour s’assurer que les photons ne sont pas réabsorbés par les atomes adjacents. La manipulation lente de la fréquence du laser peut également être utile, car plusieurs étapes de refroidissement peuvent être nécessaires pour abaisser le gaz à la température souhaitée. Faites-le avec soin et vous obtiendrez peut-être la subvention de recherche dont vous avez toujours rêvé.