बाष्पीकरणीय शीतलन (परमाणु भौतिकी)

बाष्पीकरणीय शीतलन उच्च थर्मोडायनामिक चरण स्थान को प्राप्त करने के लिए परमाणु भौतिकी तकनीक है, जहां अकेले ऑप्टिकल शीतलन तकनीक आमतौर पर नहीं पहुंच सकती है।

ऑप्टिकल या चुंबकीय जाल (परमाणु) जाल में फंसे परमाणुओं को दो प्राथमिक तंत्रों के माध्यम से वाष्पीकरण द्वारा ठंडा किया जा सकता है, जो आमतौर पर प्रश्न में जाल के प्रकार के लिए विशिष्ट होते हैं: चुंबकीय जाल में, आकाशवाणी आवृति (आरएफ) फ़ील्ड का उपयोग जाल से गर्म परमाणुओं को चुनिंदा रूप से निकालने के लिए किया जाता है। ट्रैपिंग और नॉन-ट्रैपिंग स्पिन अवस्थाओं के बीच संक्रमण उत्पन्न करके; या, ऑप्टिकल ट्रैप में, ट्रैप की गहराई धीरे-धीरे कम हो जाती है, जिससे ट्रैप में सबसे ऊर्जावान परमाणु ऑप्टिकल बैरियर के किनारों से बाहर निकल जाते हैं। जाल में परमाणुओं के वेग के लिए मैक्सवेल-बोल्ट्ज़मैन वितरण के मामले में, ये परमाणु जो जाल से बच जाते हैं/बाहर निकल जाते हैं, वितरण की उच्चतम वेग पूंछ में स्थित होते हैं, जिसका अर्थ है कि उनकी गतिज ऊर्जा (और इसलिए तापमान) जाल के औसत से बहुत अधिक है। शुद्ध परिणाम यह है कि जहां कुल जाल आबादी घटती है, वहीं शेष आबादी की औसत ऊर्जा भी घटती है। परमाणु बादल की औसत गतिज ऊर्जा में यह कमी ट्रैप तापमान में उत्तरोत्तर कमी में बदल जाती है, जिससे ट्रैप ठंडा हो जाता है।

यह प्रक्रिया कप कॉफी को ठंडा करने के लिए उस पर फूंक मारने के समान है: कॉफी के लिए ऊर्जा वितरण के उच्चतम छोर पर मौजूद अणु सतह के ऊपर वाष्प बनाते हैं और फिर उन्हें उड़ाकर सिस्टम से निकाल दिया जाता है, जिससे औसत ऊर्जा कम हो जाती है। , और इसलिए शेष कॉफी अणुओं का तापमान।

~300 K पर 1 मिलियन 87Rb परमाणुओं की प्रारंभिक जनसंख्या के लिए मैक्सवेल-बोल्ट्ज़मैन वेग वितरण का विकास। gif के प्रत्येक चरण पर वितरण में सबसे तेज़ 5% परमाणु हटा दिए जाते हैं, धीरे-धीरे शेष का औसत वेग कम हो जाता है परमाणु.

रेडियोफ्रीक्वेंसी प्रेरित वाष्पीकरण

मैग्नेटो-ऑप्टिकल जाल (एमओटी) में परमाणुओं को वाष्पीकृत रूप से ठंडा करने के लिए रेडियोफ्रीक्वेंसी (आरएफ) प्रेरित बाष्पीकरणीय शीतलन सबसे आम तरीका है। फंसे हुए परमाणुओं को लेजर द्वारा |F=0 पर ठंडा करने पर विचार करें⟩ → |एफ=1⟩ संक्रमण। |F=1 के चुंबकीय उपस्तर⟩ राज्य (|एम_F= -1,0,1⟩) शून्य बाह्य क्षेत्र के लिए पतित हैं। सीमित चुंबकीय चतुर्भुज क्षेत्र, जो जाल के केंद्र में शून्य है और हर जगह गैर-शून्य है, परमाणुओं में ज़ीमैन प्रभाव का कारण बनता है जो जाल केंद्र से भटक जाता है, जिससे तीन चुंबकीय उपस्तरों की विकृति बढ़ जाती है। फंसे हुए परमाणु के कुल स्पिन कोणीय गति और बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के बीच परस्पर क्रिया ऊर्जा z-अक्ष पर स्पिन कोणीय गति के प्रक्षेपण पर निर्भर करती है, और आनुपातिक है

$$\Delta E\propto -m_{F}B_{Z}$$

इस संबंध से यह देखा जा सकता है कि केवल |एम_F=-1⟩ चुंबकीय उपस्तर में क्षेत्र के साथ सकारात्मक अंतःक्रिया ऊर्जा होगी, अर्थात, इस अवस्था में परमाणुओं की ऊर्जा बढ़ जाती है क्योंकि वे जाल केंद्र से पलायन करते हैं, जिससे जाल केंद्र न्यूनतम ऊर्जा का बिंदु बन जाता है, जाल की परिभाषा। इसके विपरीत, |m की ऊर्जा_F=0⟩ स्थिति क्षेत्र द्वारा अपरिवर्तित है (कोई फँसाना नहीं), और |एम_F=1⟩ राज्य वास्तव में ऊर्जा में कमी करता है क्योंकि यह जाल केंद्र से भटक जाता है, जिससे केंद्र अधिकतम ऊर्जा का बिंदु बन जाता है। इस कारण से |एम_F=-1⟩ को ट्रैपिंग अवस्था के रूप में जाना जाता है, और |एम_F=0,1⟩ गैर-फँसाने वाली अवस्थाएँ। चुंबकीय क्षेत्र अंतःक्रिया ऊर्जा के समीकरण से, यह भी देखा जा सकता है कि |m की ऊर्जा_F=1,-1⟩ अवस्थाएँ विपरीत दिशाओं में स्थानांतरित होती हैं, जिससे इन दोनों अवस्थाओं के बीच कुल ऊर्जा अंतर बदल जाता है। |एम_F=-1⟩→|एम_F=1⟩ इसलिए संक्रमण आवृत्ति ज़ीमन बदलाव का अनुभव करती है। इसे ध्यान में रखते हुए, आरएफ बाष्पीकरणीय शीतलन योजना निम्नानुसार काम करती है: -1 के ज़ीमैन शिफ्ट का आकार→+1 संक्रमण चुंबकीय क्षेत्र की ताकत पर निर्भर करता है, जो जाल केंद्र से रेडियल रूप से बाहर की ओर बढ़ता है। वे परमाणु जो सबसे ठंडे होते हैं, ट्रैप सेंटर के चारों ओर छोटे से क्षेत्र में चले जाते हैं, जहां वे -1 में केवल छोटे से ज़िमन शिफ्ट का अनुभव करते हैं।→+1 संक्रमण आवृत्ति. हालाँकि, गर्म परमाणु केंद्र से बहुत दूर जाल के क्षेत्रों में समय बिताते हैं, जहाँ चुंबकीय क्षेत्र अधिक मजबूत होता है और ज़ीमन शिफ्ट इसलिए बड़ा होता है। विशिष्ट एमओटी में प्रयुक्त पैमाने पर चुंबकीय क्षेत्र द्वारा प्रेरित बदलाव मेगाहर्ट्ज के क्रम पर होता है, ताकि -1 को चलाने के लिए रेडियोफ्रीक्वेंसी स्रोत का उपयोग किया जा सके।→+1 संक्रमण. आरएफ स्रोत के लिए आवृत्ति का चुनाव ट्रैपिंग संभावित वक्र पर बिंदु से मेल खाता है, जिस पर परमाणुओं को आरएफ स्रोत की आवृत्ति के बराबर ज़ीमैन शिफ्ट का अनुभव होता है, जो तब परमाणुओं को एंटी-ट्रैपिंग की ओर ले जाता है।_F=1⟩ चुंबकीय उपस्तर और तुरंत जाल से बाहर निकल जाता है। इसलिए आरएफ आवृत्ति को कम करना चित्र में धराशायी रेखा को कम करने के बराबर है, जो प्रभावी रूप से संभावित कुएं की गहराई को कम करता है। इस कारण से इन ऊर्जावान परमाणुओं को हटाने के लिए उपयोग किए जाने वाले आरएफ स्रोत को अक्सर आरएफ चाकू के रूप में जाना जाता है, क्योंकि यह जाल से सबसे ऊर्जावान परमाणुओं को हटाने के लिए जाल की क्षमता की ऊंचाई को प्रभावी ढंग से कम कर देता है, जाल की उच्च ऊर्जा पूंछ को काट देता है। ऊर्जा वितरण. इस विधि का उपयोग रुबिडियम परमाणुओं के बादल को संक्षेपण महत्वपूर्ण तापमान से नीचे ठंडा करने के लिए किया गया था ताकि पहला प्रयोगात्मक रूप से देखा गया बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट (बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट) बनाया जा सके।

ऑप्टिकल वाष्पीकरण

जबकि बोस-आइंस्टीन संघनन का पहला अवलोकन आरएफ संचालित बाष्पीकरणीय शीतलन का उपयोग करके चुंबकीय परमाणु जाल में किया गया था, ऑप्टिकल द्विध्रुवीय जाल अब संघनन प्राप्त करने के लिए बहुत अधिक सामान्य मंच हैं। एमओटी से शुरू होकर, ठंडे, फंसे हुए परमाणुओं को उच्च शक्ति, कसकर केंद्रित, ऑफ-रेजोनेंट लेजर बीम के केंद्र बिंदु पर स्थानांतरित किया जाता है। अपने फोकस पर लेजर का विद्युत क्षेत्र परमाणुओं में द्विध्रुवीय क्षणों को प्रेरित करने के लिए पर्याप्त रूप से मजबूत होता है, जो फिर लेजर फोकस पर अधिकतम विद्युत क्षेत्र की ओर आकर्षित होते हैं, जिससे प्रभावी ढंग से उन्हें बीम फोकस पर पकड़ने के लिए फँसाने की क्षमता पैदा होती है।

ऑप्टिकल डिपोल ट्रैप (ओडीटी) में ऑप्टिकल ट्रैपिंग क्षमता की गहराई ट्रैपिंग लेजर प्रकाश की तीव्रता के समानुपाती होती है। इसलिए ट्रैपिंग लेजर बीम में शक्ति कम होने से ट्रैपिंग क्षमता की गहराई कम हो जाती है। आरएफ-संचालित वाष्पीकरण के मामले में, परमाणुओं को सीमित करने वाले संभावित अवरोध की वास्तविक ऊंचाई वाष्पीकरण अनुक्रम के दौरान तय की जाती है, लेकिन आरएफ चाकू प्रभावी रूप से इस अवरोध की गहराई को कम कर देता है, जैसा कि पहले चर्चा की गई थी। हालाँकि, ऑप्टिकल ट्रैप के लिए, लेजर शक्ति को कम करके वाष्पीकरण की सुविधा प्रदान की जाती है और इस प्रकार ट्रैपिंग क्षमता की गहराई कम हो जाती है। नतीजतन, जाल में सबसे गर्म परमाणुओं में पर्याप्त गतिज ऊर्जा होगी जो इसे बाधा दीवारों पर बनाने और जाल से बाहर निकलने में सक्षम होगी, जिससे शेष परमाणुओं की औसत ऊर्जा कम हो जाएगी जैसा कि पहले वर्णित है। जबकि ओडीटी के लिए जाल की गहराई उथली हो सकती है (तापमान के संदर्भ में एमके के क्रम पर), इस ऑप्टिकल वाष्पीकरण प्रक्रिया की सादगी ने चुंबकीय बीईसी उत्पादन के तुरंत बाद इसके पहले प्रदर्शन के बाद से इसे बीईसी प्रयोगों के लिए तेजी से लोकप्रिय बनाने में मदद की है।

यह भी देखें

• मैग्नेटो-ऑप्टिकल जाल
• बोस-आइंस्टीन संघनन|बोस-आइंस्टीन संघनन
• ऑप्टिकल चिमटी
• रमन ठंडा हो रहा है
• सिसिफ़स ठंडा होना
• लेजर शीतलन

संदर्भ

• M. H. Anderson, J. R. Ensher, M. R. Matthews, C. E. Wieman and E. A. Cornell, Observations of Bose-Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor, Science, 269:198–201, July 14, 1995.
• J. J. Tollett, C. C. Bradley, C. A. Sackett, and R. G. Hulet, Permanent magnet trap for cold atoms, Phys. Rev. A 51, R22, 1995.
• Bouyer et al., RF-induced evaporative cooling and BEC in a high magnetic field, physics/0003050, 2000.