Per effetto della "pressione di radiazione", la luce può modificare
profondamente il moto della materia.
Gli atomi assorbono fotoni di energie assegnate. In altri termini essi assorbono
radiazione elettromagnetica quando questa ha determinate frequenze, risonanti
con frequenze proprie degli atomi.
L'uso di luce risonante esalta la forza che la radiazione elettromagnetica
esercita sugli atomi.
Ogni fotone di frequenza f assorbito o emesso da un atomo imprime
ad esso un impulso hf/c=h/lambda, dove h è la costante
di Planck e c è la velocità della luce. Per un atomo
di sodio che assorba un fotone giallo questo corrisponde a una variazione
di velocità pari a h/(m lambda) che vale circa
3.0cm/sec.
L'uso di radiazione laser, che ha elevata intensità e purezza spettrale,
permette di far assorbire agli atomi milioni di fotoni al secondo, di ben
determinata frequenza f nonché direzione e verso definiti.
L'assorbimento di un milione di fotoni al secondo comporta un'accelerazione
migliaia di volte superiore a quella di gravità.
Gli atomi eccitati riemettono fotoni per emissione spontanea in tutte le
direzioni, quindi per ragioni statistiche, solo i fotoni assorbiti e non
quelli emessi spontaneamente esercitano una forza media non nulla.
A causa dell'effetto Doppler, un atomo che a riposo assorbirebbe luce a frequenza
f0, assorbe luce a frequenza
f0(1-v/c), se esso si sposta a velocità v
verso la sorgente di luce.
In un vapore atomico, gli atomi si muovono velocemente in direzioni casuali
a velocità dell'ordine centinaia o migliaia di metri al secondo, a
causa dell'agitazione termica.
Se un vapore atomico è irraggiato con un fascio di luce di frequenza
inferiore a quella di risonanza f0, gli atomi che si muovono
verso la sorgente di luce, possono "vedere" fotoni di frequenza
f0 e assorbirli, subendo così una forza media che
li rallenta.
Se si irraggiano gli atomi con più fasci (per esempio tre coppie
contro-propaganti lungo tre direzioni mutuamente ortogonali), tutte le componenti
della velocità possono essere "spinte" verso zero.
La presenza di un campo magnetico modifica la frequenza propria
f0 degli atomi (effetto Zeeman),
poiché modifica l'energia dei vari stati atomici.
Un campo magnetico non omogeneo nella regione di sovrapposizione dei fasci
laser consente la creazione di una zona di intrappolamento, dove gli atomi
vengono rallentati e accumulati.
Infatti un campo magnetico nullo al centro della trappola, e crescente man
mano che ci si allontana dal centro, permette di avere una forza che al centro
trappola rallenta gli atomi fino a fermarli, mentre nelle regioni vicine
li porta ad avere velocità dirette verso il centro. In altri termini
gli atomi vengono spinti verso il centro con velocità sempre più
basse.
Affinché la forza spinga gli atomi verso il centro e non in verso
opposto si deve usare radiazione polarizzata
circolarmente, con la quale vengono eccitate transizioni atomiche solo
fra livelli che hanno subito uno spostamento Zeeman di segno opportuno, tale
da far diminuire la frequenza f0 di assorbimento. Il verso
della polarizzazione circolare da utilizzare è determinato dal verso
del campo magnetico.
Questo è il principio base del funzionamento di una trappola
magneto-ottica.
In molti laboratori nel mondo sono state realizzate trappole di questo tipo.
Una nutrita
lista
si può consultare in web.
Non lontano da Siena, trappole magneto-ottiche sono state realizzate per
il rubidio, il
potassio
, il
cesio.
Qui sotto riportiamo due immagini della MOT realizzata nel nostro
laboratorio.
Lo scopo principale di questo testo è di far conoscere in sommi
capi le basi della ricerca che conduciamo nel nostro laboratorio di Siena.
Saremo grati a quanti, fra i lettori di queste pagine, vorranno inviarci
commenti, chiederci chiarimenti e /o suggerirci aggiunte utili a rendere
più complete e fruibili queste pagine.
A tale scopo, vi preghiamo di contattarci via
e-mail, utilizzando l'indirizzo
di Valerio
Biancalana.
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