중성 원자 기반 편집하기 (부분)

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===레이저 냉각 (Laser cooling)===
레이저 냉각은 광자의 운동량을 원자에 전달하는 방법을 영리하게 이용하여, 원자의 운동에너지와 그에 따른 원자 구름의 온도를 낮추는 방법을 말한다. 레이저 냉각 기술에는 그 한계에 따라 크게 도플러 냉각 (Doppler cooling,), 그리고 이를 뛰어넘어 원자가 한번의 광자 흡수에서 전달받는 에너지인 되튐 에너지 (recoil energy)수준으로 낮추는 서브-도플러 냉각으로 (sub-Doppler cooling) 나눌 수 있다.

레이저 냉각의 한계는 각각 두 가지 에너지 스케일, 여기 상태의 자연 선폭(에 해당하는 에너지)과 광자의 되튐 에너지가 관여한다. 도플러 냉각의 경우 자연 선폭의 에너지 수준에서 그 한계가 결정되고, 서브-도플러 냉각의 경우 되튐 에너지에 의해 결정된다. 대부분의 레이저 냉각의 경우 여기 상태의 자연 선폭은 약 MHz 단위 되튐 에너지는 kHz 단위로 자연 선폭이 되튐 에너지에 비해 크며, 이러한 상황에서 위와 같은 한계가 결정된다.

도달할 수 있는 온도와 포획할 수 있는 최대 속도가 서로 이율배반(trade-off) 관계에 있기 때문에 도플러 냉각(광-자기 포획)을 통해 많은 원자를 포획한 뒤, 서브-도플러 냉각으로 추가적으로 냉각하는 방식이 일반적이다.

==== 도플러 냉각 ====
도플러효과를 이용해 레이저 진행방향과 반대방향의 속도를 가진 원자들에게 선택적으로 광자의 운동량을 전달하는 방법이다. 레이저의 에너지(파장 혹은 주파수)를 정지 상태의 원자 전이선에 약간 못미치는 양 만큼 가하면 모자란 에너지를 원자의 운동에너지가 채운다. 이렇게 운동에너지를 채우기 위해서는 레이저의 진행방향과 원자가 마주보는 방향이어야하고, 따라서 원자를 감속하는 쪽으로 광자의 운동량이 전달된다.

속도에 비례하는 감쇠 효과로 광 당밀(optical molasses)이라고도 불린다. 자기장을 이용하면 공간적으로도 국소화 할 수 있고 이를 이용한 것이 광-자기 포획이다. 제이만 감속기 역시 이러한 효과를 활용하여 냉각한다.

도플러 효과를 활용하기 위해서는 원자의 속도를 레이저의 주파수가 분간할 수 있어야 한다. 따라서 자연 선폭이 레이저가 원자의 속도를 분간할 수 있는 한계를 지정하게 되며, 이에 따라 자연 선폭에 해당하는 운동에너지 이하로 냉각할 수 없다. 이를 도플러 한계 (Doppler limit)라고 일컫는다. 알칼리 금속 원자의 경우 이 방법을 이용해 약 수백 mK의 원자들을 약 1 mK 정도로 냉각할 수 있다. 좁은 선폭(100~ 10 kHz)을 가진 알칼리 토금속이나 란타넘족의 원자들을 사용하면 되튐 에너지에 근접한

==== 서브-도플러 냉각 ====
서브-도플러 냉각은 양자광학적인 방법을 사용하여 도플러 냉각의 한계 이하로 레이저 냉각하는 방법을 총칭한다. 편광의 경사를 (polarization gradient) 이용해 시시포스 (Sisyphus) 방식으로 냉각하는 방법, 두 가지 색의 레이저를 이용한 gray molasses 및 전자기 유도 투명성 (Electromagnetic induced transparency) 등을 이용하는 방법 등 다양한 방법들이 존재한다. 이러한 방법들은 모두 속력이 0에 가까운 원자들을 양자광학적 맥락의 암흑 상태(Dark state, 특정 조건이 되면 빛과 더이상 상호작용하지 않아 관찰할 수 없는 상태)로 만드는 방법에 의존한다.

서브-도플러 냉각의 한계는 레이저가 전달할 수 있는 운동량의 최소 분해능, 즉 되튐 에너지에서 기인하고 되튐 한계(recoil limit) 라고 부른다. 기발한 여러 방법을 사용하지만, 결국에는 광자를 흡수시키고 방출시키는 과정을 이용하여 냉각을 하는 것이고, 따라서 레이저가 전달할 수 있는 에너지의 최소 분해능 이하로는 냉각이 어려운 것이다. 이러한 방법을 되튐 에너지 정도인 수 μK 정도로 냉각할 수 있다.

요약:

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