Ενα ψυχρό βραβείο Nobel φυσικής
Ψύξη με τη βοήθεια Laser

Στις 7 Νοεμβρίου 1997 ανακοινώθηκε πως οι Claude Cohen-Tannoudji, Steve Chu, και Bill Phillips κέρδισαν το βραβείο Nobel 1997 για τη Φυσική

Κερδίζοντας το Nobel είναι σαν να κτυπήθηκες από ένα ανεμοστρόβιλο, σύμφωνα με έναν από τους βραβευθέντες το 1997.   "Εγώ απλώς εύχομαι αυτός να σταματήσει ώστε να μπορέσω να γυρίσω πίσω για να συνεχίσω να εργάζομαι," είπε ο Claude Cohen-Tannoudji του Κολλεγίου de France και της Ecole Normale Superieure στο Παρίσι. Αυτός μοιράστηκε το βραβείο Nobel για τη φυσική το1997, μαζί με τους  Steve Chu του Πανεπιστημίου Stanford στην California και Bill Phillips του National Institute of Standards and Technology (NIST) στο Maryland, για την ανάπτυξη τεχνικών στην ψύξη και παγίδευση ατόμων σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες με την χρήση lasers.

Αν η συχνότητα των φωτονίων μιας δέσμης ενός laser συντονίζεται να είναι μόλις κάτω από μια ατομική συχνότητα μετάπτωσης, ένα άτομο που μετακινείται στην αντίθετη κατεύθυνση από την δέσμη θα απορροφήσει φωτόνια οφειλόμενα στο φαινόμενο Doppler, επειδή ένα άτομο που μετακινείται στην ίδια κατεύθυνση δεν απορροφά φωτόνια. Όταν όμως ένα άτομο απορροφά φωτόνια απορροφά επίσης και την ορμή του φωτονίου, έτσι τα άτομα κινούμενα προς την κατεύθυνση της δέσμης του laser θα κινηθούν πιο αργά.

Η εργασία αυτή της ψύξης και της παγίδευσης των ατόμων με τη βοήθεια του laser έγινε αφορμή για να οδηγηθούμε σε βαθύτερη κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ φωτός και ύλης. Στην θερμοκρασία δωματίου τα άτομα και τα μόρια που περιέχει ο αέρας κινούνται προς όλες τις διευθύνσεις με ταχύτητες που πλησιάζουν τα 4.000 km/h. Είναι δύσκολο να μελετάς αυτά τα άτομα και μόρια επειδή εξαφανίζονται πάρα πολύ γρήγορα από τον χώρο που παρατηρούνται. Χαμηλώνοντας τη θερμοκρασία μπορεί κάποιος να μειώσει τη ταχύτητα τους, αλλά το πρόβλημα είναι όταν τα αέρια ψύχονται χαμηλά αυτά ανονικά πρώτα συμπυκνώνονται σε υγρά και μετά πήζουν σε μια στερεά μορφή.

Στα υγρά και στερεά σώματα, η μελέτη γίνεται πιο δύσκολη από το γεγονός ότι τα απλά άτομα και μόρια έρχονται πολύ κοντά το ένα με το άλλο. Εάν, πάντως, η διαδικασία λάβει χώρα σε ένα κενό η πυκνότητα μπορεί να διατηρηθεί αρκετά χαμηλά για να αποφευχθεί η συμπύκνωση και η πήξη. Αλλά ακόμη και σε χαμηλές θερμοκρασίες των -270°C περιλαμβάνονται ταχύτητες περίπου 400 km/h. Μόνο όταν προσεγγίσει κάποιος το απόλυτο μηδέν (-273°C) η ταχύτητα πέφτει δραματικά. Όταν η θερμοκρασία είναι ένα εκατομμυριοστό της κλίμακας κέλβιν (1 µK) ελεύθερα άτομα υδρογόνου, για παράδειγμα, μετακινούνται λιγότερο από 1 km/h (= 25 cm/s).

Διάγραμμα ενός θαλάμου κενού, με ακτίνες laser και δέσμες ατόμων (στο κάθετο επίπεδο) που χρησιμοποιούνται για το πείραμα ψύξης με Doppler.

Διευθετώντας ένα ζεύγος lasers να κατευθύνονται αντίθετα μεταξύ τους, είναι δυνατόν να παγιδεύσουν και να ψύξουν άτομα στη θερμοκρασία των λίγων μΚ. Αυτό έγινε πρώτα από τον Phillips και τους συναδέλφους του.Ο Chu και άλλοι συνεργάτες του, τότε στα εργαστήρια Bell, επέκτειναν την τεχνική στις τρείς διαστάσεις.. Ο Cohen-Tannoudji αργότερα έδειξε πως άτομα θα μπορούσαν να ψυχθούν σε ακόμη πιό χαμηλές θερμοκρασίες.