レーザー冷却の原理と冷却原子への応用

レーザー冷却の原理と冷却原子への応用

冷却原子物理学では、多くの実験作業において、粒子の制御（原子時計のようにイオン原子を閉じ込めること）、減速、そして測定精度の向上が求められます。レーザー技術の発展に伴い、レーザー冷却は冷却原子においても広く利用されるようになりました。

原子スケールでは、温度の本質は粒子の運動速度です。レーザー冷却は、光子と原子の運動量交換によって原子を冷却する技術です。例えば、原子が前進速度で移動しているときに、反対方向に飛行する光子を吸収すると、原子の速度は低下します。これは、芝生の上を転がるボールが、他の力によって押されなければ、芝生との接触による「抵抗」によって止まってしまうようなものです。

これは原子のレーザー冷却であり、このプロセスはサイクルです。そして、このサイクルによって原子は冷却され続けるのです。

この場合、最も単純な冷却方法はドップラー効果を利用することです。

しかし、すべての原子をレーザーで冷却できるわけではなく、これを実現するには原子レベル間の「周期的遷移」を見つける必要があります。周期的遷移を通してのみ、冷却は達成され、継続的に継続することができます。

現在、アルカリ金属原子（Naなど）は最外層に電子が1つしかなく、アルカリ土類元素群（Srなど）も最外層にある電子が2つで全体を1つとみなすことができるため、これら2つの原子のエネルギー準位は非常に単純で、「循環遷移」を実現しやすいため、現在人々が冷却している原子は、ほとんどが単純なアルカリ金属原子またはアルカリ土類元素原子です。

レーザー冷却の原理と冷却原子への応用