LASER JAKO SUPERCHŁODZIARKA

Prezentacja na temat: "LASER JAKO SUPERCHŁODZIARKA"— Zapis prezentacji:

1

2 LASER JAKO SUPERCHŁODZIARKA
Wykorzystanie lasera, jako chłodziarki, wydaje się sprzeczne z naszymi intuicjami. W przemyśle lasery wykorzystywane są raczej do podgrzewania, czy nawet stapiania różnych materiałów. Tymczasem okazuje się, że laser jest urządzeniem na tyle precyzyjnym, iż można przy jego pomocy także obniżać temperaturę niektórych obiektów (w szczególności rozrzedzonych gazów nawet do 0.18 µK – 2cm/s).

3 NAGRODA NOBLA Z FIZYKI '97 O tym, że problem nie jest bagatelny, świadczy przyznanie w 97 roku nagrody Nobla za prace nad tym zagadnieniem.

4 TEMPERATURA Celem niniejszego wykładu jest przypomnienie kilku znanych wszystkim faktów i próba skonstruowania urządzenia potrafiącego obniżać temperaturę przy użyciu lasera. Na początku należy zadać pytanie, czym jest temperatura gazu. Już w szkole podstawowej uczy się, iż jest miarą chaotycznego ruchu cząstek. Im ich prędkości są większe, tym wyższa jest temperatura. Chłodzenie polega więc na zmniejszaniu prędkości ruchu cząstek.

5 TEMPERATURA A PRĘDKOŚĆ
Z jakimi prędkości mamy do czynienia?

6 POZIOMY ENERGETYCZNE Ponieważ mowa jest o atomach tworzących gaz, warto jest przyjrzeć się budowie tych obiektów. W najprostszym modelu atom składa się z jądra (zbudowanego z protonów i neutronów), oraz krążących wokół jądra elektronów (w przypadku wodoru – jednego elektronu). Elektrony nie mogą krążyć po dowolnych orbitach, a jedynie po ściśle określonych. W uproszczeniu, im większa jest odległość elektronu od jądra, tym większa jest energia atomu. W związku z tym przeskok na dalszą orbitę wymaga dostarczenia atomowi energii, przeskok na bliższą – odebrania tej energii przez otoczenie

7 WZBUDZENIE ATOMU Jak dostarczyć atomowi odpowiednią dawkę energii? Najprostszą metodą jest oświetlenie go światłem o odpowiedniej długości (energia jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali). Gdy dostarczana energia będzie dokładnie taka, jak różnica między poziomem zajętym przez elektron, a wolnym, może dojść do jej pochłonięcia i przeniesienia elektronu na wyższą orbitę (wzbudzenia atomu). Należy zwrócić uwagę na fakt, iż powyższe schematy pracują tak, jak zwykłe równania. „Przeniesienie fali” na drugą stronę znaku równości można odczytać jako sytuację, gdy atom wzbudzony przechodzi do stanu podstawowego (czy niższego ze stanów wzbudzonych) emitując jednocześnie światło odpowiedniej długości.

8 HIPOTEZA DE BROGLIE'A Hipoteza de Broglie’a (w zasadzie teza, ale pod taką nazwą figuruje w podręcznikach szkolnych) mówi o tym, wszystkie istniejące na świecie cząstki wykazują w pewnych warunkach własności fal (o długości ściśle związanej z pędem cząstki), np. ulegają ugięciu, dyfrakcji, czy interferencji i odwrotnie – każda fala może wykazywać własności cząstkowe (np. można jej przypisać masę). Dotyczy to także fali świetlnej, z którą wiąże się cząstkę zwaną fotonem.

9 Oświetlenie atomu jest więc jednocześnie zbombardowaniem go przy użyciu fotonu. Oprócz pochłonięcia energii świetlnej nastąpić musi także inny proces znany dobrze np. z gry w bilard – odepchnięcie uderzonego atomu (zgodnie z zasadą zachowania pędu). W czasie absorpcji mamy do czynienia z nadawaniem prędkości atomom w kierunku padającej wiązki świetlnej. Istnieje więc metoda wpływania na prędkość atomów przy użyciu światła. Ale sama zmiana prędkości to jeszcze za mało, aby chłodzić. ABSORPCJA

10 EMISJA Analogicznie, gdy nieruchomy atom emituje foton doznaje odrzutu w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu fotonu.

11 EMISJA SPONTANICZNA Istotna cechą emisji spontanicznej jest jednak to, że kierunek emisji jest zupełnie przypadkowy. Powoduje to, że przy wielu emisjach wypadkowa zmiana prędkości atomu jest zerowa. Proces ten nie będzie więc wpływać na prędkość atomów.

12 EMISJA WYMUSZONA Dla porządku należy dodać, że istnieje jeszcze jeden rodzaj emisji – przewidziana przez Alberta Einsteina emisja wymuszona. Gdy w pobliżu wzbudzonego atomu znajdzie się foton o energii takiej, jaką wcześniej pochłonął atom, nastąpi emisja w wyniku której powstanie drugi foton, identyczny z nadlatującym (będą spójne).

13 JAK ROZCHODZI SIĘ FALA Nasze wiadomości dotyczące wzbudzania atomów są już wystarczające. Przyglądnijmy się teraz sposobowi rozchodzenia się fal. Jako przykład służyć może fala rozchodząca się na powierzchni wody. Ponieważ prędkość rozchodzenia jest jednakowa we wszystkich kierunkach, grzbiety fal tworzą współśrodkowe okręgi (gdy źródło fali jest nieruchome).

14 JAK ROZCHODZI SIĘ FALA Gdy źródło fali zaczyna się poruszać kolejne grzbiety fal wysyłane są z różnych punktów. Tworzą one więc okręgi, których środki są przesunięte względem siebie. Prowadzi to do sytuacji, gdy przed poruszającym się źródłem fala zostaje „zagęszczona” (jej długość jest mniejsza – częstotliwość wzrasta), natomiast za źródłem – „rozrzedzona”.

15 FALA DŹWIĘKOWA Sytuacja jest analogiczna w przypadku fal dźwiękowych. Gdy nieruchomy obiekt generuje falę dźwiękową we wszystkich punktach wokół niego częstotliwość fali jest jednakowa.

16 EFEKT DOPPLERA Gdy źródło zostanie wprowadzone w ruch, obserwator, w którego kierunku będzie się poruszać, będzie słyszał falę o wyższej częstotliwości (wyższy dźwięk), obserwator za źródłem – o częstotliwości niższej. Jest to efekt Dopplera bardzo często obserwowany przez każdego z nas np. przy mijaniu karetki z włączonym alarmem, przelocie samolotu nad głową itp.

17 FALA ŚWIETLNA Identyczna sytuacja będzie miała miejsce, gdy źródło emitować będzie falę świetlną. Obserwator zbliżający się do źródła będzie postrzegać barwę tego światła przesuniętą w kierunku fioletu (wyższe częstotliwości, a także WYŻSZA ENERGIA), oddalający – w kierunku czerwieni (niższe częstotliwości – NIŻSZA ENERGIA).

18 HAMOWANIE ATOMÓW W ten sposób zebraliśmy wszystkie informacje potrzebne do zrozumienia zasady działania chłodziarki laserowej. Efekt Dopplera umożliwia wpływanie przy użyciu światła na wybrane atomy. Gdy wysłany zostanie foton o energii zbyt małej, aby nieruchomy atom mógł go zaabsorbować, absorpcja będzie mogła nastąpić tylko w atomie poruszającym się naprzeciw fotonowi z odpowiednią prędkością (na skutek efektu Dopplera energia fotonu będzie zwiększona). Jednocześnie w wyniku odrzutu towarzyszącego zderzeniu prędkość atomu zmniejszy się. Ponieważ w ten sposób atomy będą spowalniane, zmniejszać będzie się ich temperatura. Jest to właśnie istota chłodzenia gazów przy wykorzystaniu lasera.

19 PUŁAPKA OPTYCZNA Ponieważ atomy poruszają się w dowolnym kierunku, aby hamowanie objęło wszystkie z nich, należy zaatakować „na wielu frontach”. Na rysunku pokazana została pułapka optyczna w dwóch wymiarach.

20

21 A ŚCIŚLEJ ... Może teraz trochę ściślej? Nie, nie. To miał być wykład popularno-naukowy.

22 JAK TO WYGLĄDA W PRAKTYCE
Oczywiście praktyczne zrealizowanie tej zasady jest bardzo skomplikowane. Okazuje się, że aby chłodzenie atomów mogło nastąpić, należy je dodatkowo skoncentrować w pewnym punkcie. Wykorzystuje się do tego celu pułapkowanie polem magnetycznym.

23 MELASA OPTYCZNA Aparatura może być jednak na tyle niewielka, iż zmieści się na pojedynczym stole. W działającym urządzeniu można zaobserwować chmurę schłodzonych atomów (tzw. melasę optyczną) nawet gołym okiem (kropka w centrum komory na rysunku po prawej stronie).

24 POMIAR TEMPERATURY Jak jednak zmierzyć faktyczną temperaturę atomów? Oczywiste jest, że wykorzystanie klasycznych termometrów jest niemożliwe. Wykorzystuje się metodę "czasu lotu". Gdy atomy zostaną schłodzone ich prędkości ustalają się na jakimś poziomie. Gdy w pewnym momencie pole magnetyczne oraz laser zostaną wyłączone, prędkości atomów przestaną się zmieniać, a kulka melasy optycznej zacznie się rozszerzać (każdy atom będzie lecieć w swoją stronę) i opadać. Mierząc prędkość tego rozszerzania można oszacować temperaturę schłodzonego gazu.

25

26 ZASTOSOWANIA Dotychczas technika chłodzenia laserowego ma przede wszystkim zastosowania naukowe. Spowalnianie atomów pozwala na ich dokładniejsze badanie. Otrzymywanie niskich temperatur umożliwia obserwowanie niedostępnych dotychczas zjawisk, jest także punktem wyjścia do stosowania jeszcze bardziej wyrafinowanych technik chłodzenia. Możliwe jest także obniżanie temperatury ciał stałych (tu chłodzenie ogranicza się jednak do około 20 stopni, na poziomie temperatur pokojowych). Może jednak w przyszłości technika zostanie rozwinięta na tyle, że będzie obecna w każdym domu. I wtedy może sytuacja z pierwszego slajdu diametralnie się zmieni...

27 LASER JAKO SUPERCHŁODZIARKA

28