טיוטה:מלכודת מגנטואופטית

איור המלכודת, הבנויה מלייזרים, מראות ומגנטים. ניתן לראות במרכז המלכודת את אזור הצטלבות הלייזרים.

מלכודת מגנטו-אופטית היא מכשיר המשמש להפיכת אטומים לקרים ונייחים. שיטה זו יעילה במיוחד עבור אטומים נייטרלים חשמלית, שעבורם שיטות קירור אחרות, מבוססות מטען חשמלי, אינן יעילות. הטמפרטורה של האטומים ש"נתפסו" במלכודת מגנטו-אופטית מאוד נמוכה, עד כדי יחידת מידה של מיקרו-קלווין, שהיא בערך פי שניים עד שלושה נמוכה מהגבול של רתיעת הפוטון. עם זאת, ישנם אטומים מסוימים שהמכשיר איננו יעיל בשבילם, ונדרש מכשיר אחר כדי לקררם.

תיאור המכשיר

המלכודת בנויה ממראה בצורה של גליל, ומגנטים מסביב למראה כך שדרכן יוצאות קרנות לייזר שנוצרת הצטלבות במרכז.

האזור הקר הנוצר על ידי הצטלבות של לייזר ושדה מגנטי חלש בצורה עגולה. המכשיר עובד על כך שהלייזרים "דוחפים" את האטומים בטווח כלשהו, ובהצטלבות של הלייזרים נוצר אזור שהאטומים לא זזים בו. האטומים מואטים על ידי הקרן שבאה ממולם, ובכך הם מתקררים. אטומים שיוצאים מהאזור המרכזי חשופים לאפקט זימן בנוכחות השדה המגנטי, אשר גורם לכח מחזיר לכיוון מרכז השדה, שהינו מרכז המלכודת. פליטת הפוטונים הנלוית לכך מאיטה את האטומים במידה קטנה אך עקבית, כך שככל שהאטום נמצא יותר זמן במלכודת ופולט פוטונים, הוא מתקרר ומאט לאיטו במרכז השדה. לפיכך, המכשיר מסוגל להאט עם הזמן גם אטומים שבתחילה הינם בעלי טמפרטורה ומהירות גבוהים.

מלכודת מגנטו-אופטית יעילה לעומת מלכודות אחרות בעיקר בזכות התמודדותה היעילה עם אטומים נייטרליים חשמלית, שעבורם שיטות האטה וקירור אחרות, המבוססות על המטען החשמלי, אינן יעילות.

דחיפת האטומים לכיוון מרכז המלכודת מתרחשת באמצעות קירור דופלר, אשר מכווין לייזרים בתדירות שתואמת רק לאטומים שמתקרבים ללייזר ולא שמתרחקים ממנו (בהתאם לאפקט דופלר). אטומים אלו קולטים את הפוטונים מהלייזר, והתנע של אותם פוטונים מקטין את תנע האטומים ומאט אותם. לייזרים בכל שלושת הצירים הקרטזיים מבטיחים שתנועת אטומים החוצה מהמרכז בכל כיוון תיתקל בלייזר מתאים שיאט אותם וישאיר אותם באזור המלכודת. השדה המגנטי יוצר אפקט זימן אשר גורם לכך שככל שאטום מתרחק ממרכז המלכודת, תדר התהודה שלו מתקרב יותר לתדר הלייזר, ובכך מגביר את הסיכוי לקליטת פוטונים. כפועל יוצא, ככל שאטום מתרחק מהמרכז, עולה הסבירות שיואט על ידי הלייזרים.

המכשיר

לייזר

מלכודת מגנטו-אופטית דורשת לפחות שלושה קרני לייזר (אחד לכל אחד משלושת הצירים), ובנוסף לייזרי שאיבה-מחדש שמטרתם החזרת אטומים מקוררים לרמת עירור אשר תאפשר את המשך קירורם. הלייזרים זקוקים ליציבות ולא להספק גבוה, וכן רוחב תדר קטן בהרבה מרוחב דופלר, בדרך כלל מספר מגה-הרץ. בגלל עלותן הנמוכה, גודלן הקטן וקלות השימוש בהן, דיודות לייזר משמשות סוגי מלכודות מגנטו-אופטיות סטנדרטיות רבות. רוחב התדר והיציבות במלכודת נשלטים על ידי מערכות סרבו לייצוב הלייזרים. על ידי שימוש בסריג עקיפה דו־ממדי ניתן ליצור את קרני הלייזר הנדרשות למלכודות מגנטיות-אופטיות ממקור לייזר בודד, וכך לקבל מלכודת מגנטית-אופטית קטנה.

תא ואקום

ענן המלכודת המגנטית נטען מקרן או ענן אטומים, שמואטים בדרך כלל באופן ראשוני למהירות לכידה על ידי מכשיר מסוג מאט זימן. המלכודת יעילה רק בתא ואקום שבו קיים לחץ רקע של פחות מ־100 מיקרופסקל, אחרת הלחץ יגבר על כוחות הלכידה במלכודת.

יישום

כתוצאה מצפיפויות ומהירויות נמוכות של אטומים המושגות על ידי קירור אופטי, הנתיב החופשי הממוצע בענן האטומים הוא ארוך מאוד, וניתן להתייחס לאטומים כאל בליסטיים. הדבר שימושי לניסויי מידע קוונטי שבהם יש צורך בזמני קוהרנטיות ארוכים (הזמן שהאטום מבלה במצב קוונטי מוגדר). בגלל אפקט דופלר, כל ניסוי מניפולציה קוונטית חייב להתבצע כאשר אלומות הלייזר כבויות. במקרה כזה, מקובל לעצור את התפשטות הגזים במהלך ניסויי מידע קוונטי על ידי טעינת האטומים המקוררים למלכודת דיפול.

המלכדות המגנטית אופטית משתמשת במספר טכנולוגיות קוונטיות (רדיומטרים של כבידה של אטומים קרים) ונפרסו במגוון פלטפורמות (כגון כטב"מים).