レーザー冷却

レーザー冷却とは



レーザー冷却とは、レーザー光を用いて気体分子、特に単原子分子や単原子イオンの温度を絶対零度近くまで冷却する技術です。この技術は、原子やイオンの運動エネルギーを減少させ、極低温状態を作り出すことを可能にします。

ドップラー冷却の原理



レーザー冷却の主要な手法の一つであるドップラー冷却について解説します。この方法は、数ケルビンから数ミリケルビンの領域で特に有効です。

原子やイオンは光（電磁波）を吸収する際に、光の進行方向へ光圧を受けます。ドップラー冷却では、この光圧を利用して原子やイオンを減速させます。

まず、冷却対象の原子を気体状態にします。この際、原子同士の相互作用は無視できるほど低い圧力環境が必要です。次に、原子の吸収波長よりもわずかに長波長側に調整したレーザー光を照射します。

運動している原子から見ると、ドップラー効果により光の波長が変化します。正面から来る光は短く、後ろから来る光は長く感じられます。この効果により、正面から衝突する光は原子の吸収波長に近づき、光圧を受けて原子は減速します。この過程は三次元空間の各軸で同時に行われ、原子の運動量を全方向で減らすことが可能です。

原子がレーザー光を吸収すると励起状態になり、その後、自然放射によってエネルギーを放出します。この放射はランダムな方向に起こるため、平均速度には影響しません。しかし、この自然放射は原子の運動エネルギーをわずかに増加させるため、冷却効果と加熱効果のバランスが重要になります。

ドップラー冷却で到達可能な温度は、ドップラー効果による冷却と自然放射による加熱のバランスによって決まります。これは、原子の吸収線の線幅に比例します。アルカリ金属原子などではミリケルビンオーダー、アルカリ土類原子ではマイクロケルビンオーダーの温度まで冷却が可能です。

偏光勾配冷却



アルカリ金属原子のように、レーザー冷却に使う吸収線の基底状態が角[[運動量]]を持つ場合、偏光を利用した偏光勾配冷却、またはシシフォス冷却と呼ばれる手法で、さらに冷却することができます。この手法は、光ポンピングによって偏光を分離し、ドップラー冷却限界以下の温度まで冷却を可能にします。

偏光勾配冷却の冷却限界は光子反跳温度で与えられ、これは原子が光子を吸収または放出する際の速度変化に対応する温度です。多くの場合、マイクロケルビン以下になります。このため、偏光勾配冷却では数マイクロケルビン程度の冷却が実現できます。

レーザー冷却の限界と蒸発冷却



レーザー冷却は原子間の相互作用を無視できるほど低い密度下で有効です。しかし、低温状態では原子を高密度に保つ必要があり、相互作用が無視できなくなります。このため、レーザー冷却だけでは限界があります。

そこで、さらに冷却を進めるために蒸発冷却という手法が用いられます。冷却によって運動エネルギーを失った原子は、重力によって落下していきます。磁性を持つ原子であれば、磁気光学トラップで保持できます。この状態で、わずかにエネルギーが高い原子を赤外線放射で取り除くと、系全体の平均運動エネルギーが下がり、さらに冷却が進みます。

この蒸発冷却によって、1995年にはボーズ＝アインシュタイン凝縮が初めて観測されました。これは、原子系での量子現象を巨視的に観測できるようになったことを意味します。ルビジウム原子を用いた実験では、約170ナノケルビンまで冷却されています。

応用



レーザー冷却は、極低温における量子現象の研究に不可欠な技術です。特に、ボース＝アインシュタイン凝縮の研究や量子コンピュータの開発に重要な役割を果たしています。

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