Δέσμες αντίθετων κατευθύνσεων ψύχουν πάρα πολύ τα άτομα, ενώ συγχρόνως επάγουν σ' αυτά διπολικές ροπές και τα παγιδεύουν - 2ο μέρος

Δέσμες αντίθετων κατευθύνσεων ψύχουν πάρα πολύ τα άτομα, ενώ συγχρόνως επάγουν σ' αυτά διπολικές ροπές και τα παγιδεύουν

Ευτυχώς, μια ατομική παγίδα μπορεί να βασιστεί σε ένα άλλο είδος δύναμης την οποία το φως μπορεί να ασκήσει επί των ατόμων. Για να κατανοήσουμε αυτή την δύναμη είναι εποικοδομητικό να σκεφτούμε πως τα μικρά σωματίδια έλκονται από ένα θετικά φορτισμένο αντικείμενο όπως πχ από μια γυάλινη ράβδο που έχει τριφτεί στο τρίχωμα μιας γάτας. Η ράβδος παράγει ένα ηλεκτρικό πεδίο που πολώνει τα σωματίδια.
Συνεπώς, η μέση θέση των θετικών φορτίων στο σωματίδιο θα είναι ελαφρά μακρύτερα από τη ράβδο σε σχέση με τη μέση θέση των αρνητικών φορτίων. Αυτή η ασύμμετρη κατανομή των φορτίων λέμε ότι αντιστοιχεί σε μια διπολική ροπή. Η ελκτική δύναμη από το ηλεκτρικό πεδίο στο δίπολο οφείλεται στο ότι η ελκτική δύναμη του πεδίου στα αρνητικά φορτία του σωματιδίου είναι ισχυρότερη από την απωστική δύναμη επί των θετικών φορτίων. Ως αποτέλεσμα το σωματίδιο έλκεται προς περιοχές του πεδίου όπου το ηλεκτρικό πεδίο είναι ισχυρότερο. Σημειώστε ότι αυτή η δύναμη είναι ανάλογη με τη δύναμη μαγνητικού διπόλου που χρησιμοποιήθηκε αρχικά για παγίδευση ουδετέρων ατόμων και νετρονίων. Αν το φορτίο στη ράβδο ήταν αρνητικό, το ηλεκτρικό πεδίο θα επάγει μια διπολική ροπή αντίθετης πολικότητας, και το σωματίδιο πάλι θα έλκεται προς περιοχές ισχυρότερου ηλεκτρικού πεδίου.

Εξαιτίας της διπολικής δύναμης, τα άτομα μπορούν να παγιδευτούν από ένα ηλεκτρικό πεδίο που έχει ένα τοπικό μέγιστο σε κάποιο σημείο του χώρου. Μπορούν τέτοια πεδία να παραχθούν από κάποια έξυπνη διάταξη ηλεκτρικών φορτίων; Αν μιλάμε για οποιοδήποτε σύστημα σταθερών φορτίων η απάντηση είναι όχι. Ακόμη, ένα ηλεκτρικό πεδίο με τοπικό μέγιστο μπορεί να επιτευχθεί με ένα δυναμικό σύστημα. Ειδικότερα, επειδή το φως αποτελείται από ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο που ταλαντώνονται γρήγορα, μια εστιασμένη δέσμη laser μπορεί να παράγει ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο με ένα τοπικό μέγιστο. Όταν το πεδίο αλληλεπιδρά με ένα άτομο, αλλάζει την κατανομή των ηλεκτρονίων στο άτομο επάγοντας σ' αυτό μια διπολική ροπή. Το άτομο έτσι θα έλκεται προς το τοπικό μέγιστο του πεδίου, ακριβώς όπως τα σωματίδια έλκονταν προς τη ράβδο.

Το γεγονός ότι το ηλεκτρικό πεδίο αλλάζει γρήγορα δεν παρουσιάζει πρόβλημα. Καθώς το πεδίο αλλάζει πολικότητα, η διπολική ροπή του ατόμου επίσης μεταβάλεται. Όσο το πεδίο αλλάζει με ρυθμό βραδύτερο από τις φυσικές συχνότητες ταλάντωσης του ατόμου, η διπολική ροπή παραμένει ευθυγραμισμένη πάντα με το πεδίο. Το άτομο ως εκ τούτου συνεχίζει να κινείται προς το τοπικό μέγιστο. Ως αποτέλεσμα αυτή η διπολική δύναμη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιορίσει τα άτομα σε μια περιοχή. Το 1968 ο Vladilen S. Letokhov πρώτος πρότεινε ότι τα άτομα μπορούν να παγιδευτούν με μια δέσμη φωτός, χρησιμοποιώντας τη διπολική δύναμη, και 10 χρόνια αργότερα ο Arthur Ashkin στα εργαστήρια Bell της ΑΤ &Τ πρότεινε μια πιο πρακτική παγίδα βασισμένη σε εστιασμένες δέσμες laser.

Αν και η παγίδα βασισμένη στη διπολική δύναμη είναι αρκετά κομψή στη σύλληψη, είχε πρακτικά προβλήματα. Για να ελαχιστοποιήσουμε τη σκεδάζουσα δύναμη, το φως πρέπει να είναι συντονισμένο σε συχνότητα αρκετά κάτω από τη συχνότητα στην οποία το άτομο απορροφά φωτόνια. Σ' αυτές όμως τις συχνότητες μακρυά από το συντονισμό οι δυνάμεις που παγιδεύουν τα άτομα είναι τόσο ασθενικές ώστε τα άτομα που βρίσκονται ακόμη και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες όπως πχ ο,ο1 βαθμούς Kelvin δεν μπορούν να συγκρατηθούν στην παγίδα. Ακόμη και όταν πιο ψυχρά άτομα τοποθετήθηκαν στην παγίδα, αυτά πετάγονταν έξω από αυτή σε μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου ως αποτέλεσμα των σκεδαζουσών δυνάμεων οι οποίες είναι πανταχού παρούσες. Επιπροσθέτως, το έργο της ώθησης των ατόμων στο εσωτερικό της παγίδας έμοιαζε τιτάνειο διότι ο όγκος της παγίδας έπρεπε να είναι της τάξης των 0,001 κυβικών χιλιοστών.

Για τους λόγους αυτούς η πρόκληση για κατασκευή οπτικών παγίδων έμοιαζε απαγορευτική. Τότε το 1985, αποκαλύφθηκε μια μέθοδος για οπτική παγίδα αφού ήδη μπόρεσαν να ψύξουν άτομα με τεχνικές laser σε όλες τις διαστάσεις και σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες απ' ότι οι ακινητοποιημένες ατομικές δέσμες. Η ιδέα της ψύξης με τεχνικές laser προτάθηκε για πρώτη φορά το 1975 από τον Theodor Honsch και τον Arthur Schawlow του πανεπιστημίου Stanford. Την ίδια χρονιά, ένα παρόμοιο σχήμα για ψύξη παγιδευμένων ιόντων με lasers προτάθηκε από τον David J. Wineland και τον Hans G. Dehmelt του πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον.

Οι ερευνητές πρόβλεψαν ότι ένα άτομο θα μπορούσε να ψυχθεί αν βομβαρδιζόταν από δύο μεριές με φως laser σε συχνότητα ελαφρά μικρότερη από τη συχνότητα που χρειαζόταν για μέγιστη απορρόφηση. Αν το άτομο κινείται σε κατεύθυνση αντίθετη από αυτή της μιας δέσμης φωτός, το φως, από το σύστημα αναφοράς του ατόμου έχει αυξημένη συχνότητα. Το φως φθάνει λοιπόν ως προς το άτομο στην απαιτούμενη συχνότητα για να απορροφηθεί από το άτομο. Το φως το οποίο απορροφάται από το άτομο ασκεί σε αυτό μια σκεδάζουσα δύναμη που επιβραδύνει το άτομο.

Πως όμως αλληλεπιδρά το άτομο με το φως που κινείται στην ίδια με αυτό κατεύθυνση; Το άτομο έχει ακόμα μικρότερη πιθανότητα να απορροφήσει το φως γιατί το φως ως προς το σύστημα αναφοράς του ατόμου έχει ακόμα μικρότερη συχνότητα. Το καθαρό αποτέλεσμα και των δύο δεσμών φωτός είναι ότι προκαλείται μια σκεδάζουσα δύναμη αντίθετη προς την κίνηση του ατόμου. Η ομορφιά της ιδέας αυτής είναι ότι ένα άτομο κινούμενο προς την αντίθετη κατεύθυνση θα δεχτεί επίσης μια σκεδάζουσα δύναμη που θα τείνει να το οδηγήσει προς μηδενική ταχύτητα. Περικυκλώνοντας το άτομο με τρία ζεύγη από αντίθετες δέσμες φωτός όπου κάθε ζεύγος βρίσκεται σε έναν από τους τρεις ορθογώνιους άξονες
x, y, z το άτομο μπορεί να ψυχθεί και στις τρεις διευθύνσεις.