Trong chương III chúng tôi sẽ nghiên cứu ứng dụng của cấu trúc phổ siêu tinh tế của các nguyên tử một điện tử vào làm lạnh
3.1.Cơ sở lý thuyết làm lạnh nguyên tử bằng laser 1 Sự chuyển xung lượng của photon cho nguyên tử
3.1.1. Sự chuyển xung lượng của photon cho nguyên tử
Như chúng ta đã biết, mỗi phôton có xung lượng bằng hk, với ħ là hằng số Planck rút gọn, còn k là véctơ sóng hướng dọc theo phương lan
truyền của phôton. Giả thiết có chùm laser gồm các photon tham gia tương tác với nguyên tử đang đứng yên như trên hình 3.1. Tần số của laser ω được điều chỉnh trùng với tần số dịch chuyển ωo giữa hai mức năng lượng của nguyên tử, đồng thời giả thiết lựa chọn hai mức năng lượng sao cho mức trên chỉ phát xạ tự phát về mức dưới sau khi hấp thụ photon tới của chùm laser.
Hình 3.1. Sự chuyển xung lượng của các photon cho nguyên tử nhờ quá trình “hấp thụ-phát xạ tự phát”.
Khi nguyên tử hấp thụ phôton thì nguyên tử sẽ tích lũy được xung lượng bằng hkvà bị kích thích lên trạng thái ở mức trên. Sau một khoảng thời gian ngắn (cỡ 10 ns) thì nguyên tử sẽ tự động nhảy xuống mức dưới đồng thời “phát xạ tự phát” một photon có năng lượng bằng năng lượng của phôton đã bị hấp thụ. Điều này có nghĩa là nội năng của nguyên tử sau mỗi chu trình hấp thụ-phát xạ tự phát là không đổi. Tuy nhiên, do quá trình phát xạ tự phát là đẳng hướng (nghĩa là photon phát xạ sẽ có hướng bất kỳ trong không gian) nên sau nhiều “chu trình hấp thụ-phát xạ tự phát” thì nguyên tử sẽ tích lũy được xung lượng trung bình bằng tổng xung lượng của tất cả các photon tới:
v
p m N k
Vì vậy, nếu chùm photon tới là một chùm laser có độ định hướng cao thì các các photon bị hấp thụ sẽ truyền hết xung lượng cho nguyên tử. Điều này có nghĩa là nguyên tử bị “giật lùi” theo hướng lan truyền của chùm laser. Xét trên phương diện động lực học, nguyên tử sẽ chịu tác dụng của “quang lực”:
F= ∆ =p N kh, (3.2)ở đây ta đã giả thiết N là số photon bị hấp thụ trong một đơn vị thời gian. ở đây ta đã giả thiết N là số photon bị hấp thụ trong một đơn vị thời gian.