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레이저 냉각

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목차

1. 개요

레이저 냉각은 레이저를 사용하여 물질의 온도를 낮추는 기술이다. 1873년 제임스 클러크 맥스웰은 복사 압력을 예측했고, 1970년대에 테오도어 W. 헨슈, 아서 레너드 숄로, 데이비드 J. 와인랜드, 한스 게오르크 데멜트 등이 레이저 냉각 기술을 개발했다. 레이저 냉각은 도플러 냉각, 편광 구배 냉각 등 다양한 방법으로 이루어지며, 원자 간 상호 작용을 무시할 수 있는 낮은 밀도에서 효과적이다. 이 기술은 보스-아인슈타인 응축 연구, 양자 컴퓨터 실험, 원자 시계 정확도 향상 등 다양한 분야에 응용된다. 레이저 냉각 장비는 고진공 챔버와 레이저 시스템으로 구성된다.

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레이저 냉각

2. 역사

맥스웰은 전자기 이론을 통해 전자기 방사선이 가하는 힘(복사압)을 계산했다. 그러나 20세기가 되어서야 표트르 레베데프(1901년), 어니스트 폭스 니콜스(1901년), 고든 페리 헐(1903년)이 실험을 통해 그 힘을 입증하였고,[32] 1933년 오토 프리쉬는 빛으로 원자에 압력을 가하는 것을 실현하였다.

나트륨은 589 nm에서 강한 전이를 갖는다는 점에서 주목할 만한데, 이 파장은 인간의 눈의 최대 감도에 가깝다. 1933년 오토 프리쉬는 빛으로 나트륨 원자의 원자빔을 편향시켰는데,[8] 이는 원자 또는 분자에 작용하는 복사 압력을 처음으로 실현한 것이다.

2. 1. 초기 시도

맥스웰은 19세기 후반, 전자기 이론을 통해 전자기 방사선이 가하는 힘(복사압)을 예측했다.[2] 20세기 초, 표트르 레베데프[3][4], 어니스트 폭스 니콜스와 고든 페리 헐[5][6][7]은 실험을 통해 복사압을 입증했다.[32] 1933년, 오토 프리쉬는 빛으로 원자에 압력을 가하는 것을 실현하였다.[8]

1970년대 초반부터 레이저는 세밀한 원자 조작을 위해 사용되었으나, 1975년 테오도어 한슈와 아서 숄로[9], 데이비드 와인랜드와 한스 데멜트[10]는 "방사력"으로 원자의 열 기반 속도를 늦추는 레이저 냉각 기술을 독자적으로 제안했다.[29] 한슈와 숄로의 논문에서는 빛을 반사하는 모든 물체에 가해지는 복사압의 효과를 설명하고 있으며, 이는 기체 상태의 원자를 냉각시키는 방법으로 이어졌다.[30] 이후 산란과 쌍극자 힘을 모두 이용하는 레이저 트래핑이 도입되었다.

1978년, 와인랜드 연구진은 페닝 트랩에서 마그네슘 이온을 40K 미만으로 냉각시켰다.[11] 윌리엄 필립스는 와인랜드의 논문을 보고 이온 대신 중성 원자를 사용하려고 했다. 그는 1982년에 중성 원자의 냉각을 설명하는 최초의 논문을 발표했다.[13] 그가 사용한 방법은 현재 제만 감속기로 불리며 원자 빔을 느리게 하는 표준 기술 중 하나가 되었다.

2. 2. 현대 발전

윌리엄 필립스는 이온 대신 중성 원자를 사용하여 1982년에 중성 원자 냉각을 설명하는 논문을 발표했다. 그가 사용한 방법은 현재 제만 감속기로 불리며 원자 빔을 느리게 하는 표준 기술 중 하나가 되었다. 이전에는 온도를 약 240 마이크로켈빈까지 낮췄을 때, 연구원들은 이 온도가 가능한 최저 온도라고 생각했다. 그러나 스티븐 추가 실험에서 온도를 43 마이크로켈빈까지 낮추면서,[31] 레이저 편광과 더 많은 원자 상태를 고려하여 새로운 최저 온도를 설명하였다. 스티븐 추는 윌리엄 필립스, 클로드 코엔타누지와 함께 1997년 레이저로 원자를 냉각하여 포획하는 방법에 기여한 공로로 노벨 물리학상을 공동 수상했다. 1995년에는 에릭 코넬, 칼 위먼, 볼프강 케털리가 새로운 물질 상태인 보스-아인슈타인 응축수를 관찰하였다.[33]

1970년대와 1980년대 냉각을 위한 레이저 사용의 발전은 기존 기술의 몇 가지 개선과 매우 낮은 온도에서의 새로운 발견으로 이어졌다. 냉각 공정은 원자 시계를 보다 정확하게 만들고 분광 측정을 개선하는 데 사용되었으며, 초저온에서 새로운 물질 상태를 관찰하는 데도 사용되었다.[32]

3. 원리

레이저 냉각은 원자나 이온의 운동 에너지를 줄여 온도를 낮추는 기술이다. 레이저 냉각의 가장 일반적인 방법은 도플러 냉각이며, 이 외에도 다양한 방법들이 존재한다.

도플러 레이저 냉각의 단순화된 원리: 정지 상태의 원자는 레이저의 적색 또는 청색 편이를 감지하지 못하고 광자를 흡수하지 않는다. 레이저에서 멀어지는 원자는 적색 편이를 감지하고 광자를 흡수하지 않지만, 레이저를 향해 움직이는 원자는 청색 편이를 감지하고 광자를 흡수하여 속도가 느려진다. 이후 광자는 원자를 여기시켜 전자를 더 높은 양자 상태로 이동시키고, 원자는 다시 광자를 무작위 방향으로 방출한다. 이 과정에서 원자는 에너지를 잃고 냉각된다.


레이저 냉각에는 도플러 냉각 외에도 다음과 같은 방법들이 있다.

  • 시시포스 냉각
  • 해결된 사이드밴드 냉각
  • 라만 사이드밴드 냉각
  • 속도 선택적 일관성 인구 트래핑(VSCPT)
  • 회색 당밀
  • 광학 당밀
  • 공동 공진 냉각
  • 제만 감속기 사용
  • 전자기 유도 투명도(EIT) 냉각
  • 고체 내 반 스토크스 냉각
  • 편광 구배 냉각

3. 1. 도플러 냉각

도플러 냉각은 자기광학 트랩과 함께 사용되는 레이저 냉각의 가장 일반적인 방법이다. 루비듐-85의 경우, 저밀도 기체를 약 150 마이크로켈빈인 도플러 냉각 한계까지 냉각하는 데 사용된다.

도플러 냉각에서 빛의 주파수는 원자의 전자 전이보다 약간 낮게 조정된다. 빛이 전이의 "적색"(즉, 낮은 주파수)으로 레이저 디튜닝되기 때문에, 원자는 도플러 효과로 인해 빛의 근원을 향해 움직일 때 더 많은 광자를 흡수한다. 따라서 두 반대 방향에서 빛을 가하면, 원자는 항상 자신의 이동 방향과 반대 방향을 가리키는 레이저 빔에서 더 많은 광자를 산란하여 운동량을 잃는다. 여기 상태에 있는 원자가 자발적으로 광자를 방출하면 동일한 양의 운동량으로 킥을 받지만, 무작위 방향으로 받는다. 초기 운동량 변화는 순수한 손실(운동 방향에 반대)인 반면, 후속 변화는 무작위이므로 흡수 및 방출 과정의 반복은 원자의 운동량, 즉 속도를 줄인다. 여러 번 반복되면 평균 속도, 즉 원자의 운동 에너지가 줄어든다. 원자 집단의 온도는 평균 무작위 내부 운동 에너지의 척도이므로, 이는 원자를 냉각하는 것과 같다.

단계설명
1원자는 흡수 파장과 일치하지 않는 빛을 흡수하지 않는다.
2운동하는 원자에서 본 빛은 도플러 효과에 의해 파장이 변화한다.
3.1변화 후 파장이 흡수 파장과 일치하면 빛을 흡수한다.
3.2진행 방향으로부터 도래하는 빛을 흡수한 원자는 감속하여 여기 상태가 된다.
3.3여기된 원자는 빛을 재방출한다. 이 때 원자의 운동량은 변화하지만, 방향이 무작위이므로 원래 속도로 돌아가지 않는다.



원자나 이온은 빛(전자기파)을 흡수하면 광압이라는 힘을 빛의 진행 방향으로 받는다. 도플러 냉각은 이 광압을 이용한다. 냉각하려는 물질은 기화되어 있고, 압력은 충분히 낮아 원자(이온)끼리의 상호 작용은 무시할 수 있을 정도로 낮은 확률로만 일어난다고 가정한다. 냉각하려는 원자의 흡수 파장보다 약간 장파장 측으로 조절한 레이저 광을 조사하면, 원자는 운동 방향과 반대 방향의 광압을 받아 감속한다. 이는 도플러 효과에 의해 원자에서 본 빛의 파장이 변화하기 때문이다. 원자에서 본 진행 방향을 정면으로 하면, 정면에서 다가오는 빛의 파장은 짧아지고, 뒤에서 조사되는 빛의 파장은 길어진다. 따라서 원자와 정면 충돌하는 빛의 파장은 흡수 파장에 더 가까워지고, 원자를 쫓아오는 빛의 파장은 흡수 파장에서 멀어진다. 3차원 공간의 각 축에 대해 동시에 수행하면, 모든 방향에 대해 원자의 운동량을 줄여 냉각할 수 있다.

레이저 광을 흡수하여 원자가 얻은 에너지는 원자를 여기시킨 후 자연 방사에 의해 방출된다. 이 때의 방사는 전 방향으로 무작위하게 일어나므로, 광압은 원자의 평균 속도에 영향을 주지 않는다. 그러나 원자의 온도, 즉 운동 에너지는 원자의 제곱 평균 속도에 비례하며, 이는 자연 방사에 의해 증가한다.

도플러 냉각 과정에서 도달할 수 있는 온도는 도플러 효과에서 비롯된 광압의 불균형에 의한 냉각 효과와 자연 방사에 의한 가열 효과의 균형에 의해 결정되며, 사용하는 원자(이온)의 흡수선의 선폭에 비례한다. 나트륨, 루비듐 등의 알칼리 금속 원자, 수소, 준안정희가스 원자에 대해서는 이 선폭은 메가헤르츠의 오더이며, 도플러 냉각 한계 온도는 밀리켈빈의 오더가 된다. 스트론튬 등의 알칼리 토금속 원자에 대해서는 킬로헤르츠 오더의 흡수선을 사용할 수 있으며, 그 경우 마이크로켈빈의 오더가 된다.

3. 2. 편광 구배 냉각 (시시포스 냉각)

편광 구배 냉각(시시포스 냉각)은 레이저의 편광을 이용하여 도플러 냉각 한계 이하로 냉각시키는 방법이다. 알칼리 금속 원자와 같이 레이저 냉각에 사용되는 흡수선의 하위 상태가 각운동량을 가질 경우, 각운동량의 차이로 나타나는 편광을 광 펌핑을 통해 분리함으로써 추가적인 냉각을 가능하게 한다. 이 방법은 그리스 신화에 등장하는 시시포스에서 이름을 따왔다. 클로드 코엔-타누지가 개발했으며, 이 공로로 1997년 노벨 물리학상을 수상했다. 이 과정을 통해 도플러 냉각 한계 이하로 냉각이 가능하며, 냉각 한계는 광자 반동 온도로 주어진다. 광자 반동 온도는 원자가 빛을 한 번 흡수하거나 방출할 때의 속도 변화에 해당하는 온도이며, 대부분 마이크로켈빈 또는 그 이하이다. 따라서 편광 구배 냉각 과정의 냉각 한계 온도도 수 마이크로켈빈 정도가 된다.

3. 3. 기타 냉각 방법


  • 시시포스 냉각
  • 해결된 사이드밴드 냉각
  • 라만 사이드밴드 냉각
  • 속도 선택적 일관성 인구 트래핑(VSCPT)
  • 회색 당밀
  • 광학 당밀
  • 공동 공진 냉각
  • 제만 감속기 사용
  • 전자기 유도 투명도(EIT) 냉각
  • 고체 내 반 스토크스 냉각
  • 편광 구배 냉각

4. 한계

레이저 냉각이 효과적으로 작동하기 위한 전제 조건은 도플러 냉각 및 편광 구배 냉각 과정에서 원자(이온) 간의 상호 작용을 무시할 수 있어야 한다는 것이다. 그러나 온도가 매우 낮아지면 원자 간의 상호 작용을 무시할 수 없게 되어 레이저 냉각만으로는 더 낮은 온도를 달성하기 어렵다.[1]

냉각을 통해 운동 에너지를 충분히 잃은 원자는 거의 중력의 영향만으로 떨어진다. 자기성을 가진 원자라면 자기 광학 트랩을 사용하여 가둘 수 있다. 이때 에너지가 약간 높아 트랩에서 벗어난 원자만 적외선 방사로 제거하는(증발시키는) 증발 냉각 방식을 사용한다. 온도는 개별 원자가 아닌 원자 집단의 운동 에너지 분포를 나타내므로, 운동 에너지가 높은 원자를 제거하면 전체 계의 온도는 더욱 낮아진다. 1995년 에릭 코넬과 칼 와이먼은 증발 냉각 기술을 개발하여 원자 계에서 보스-아인슈타인 응축을 처음으로 확인했다. 이들은 볼프강 케테르레와 함께 이 공로로 노벨상을 수상했다. 개발된 루비듐 원자를 사용한 실험에서는 약 170nK을 달성했다.[1]

5. 응용

레이저 냉각은 주로 절대 영도 근처에서 관찰할 수 있는 양자 효과를 탐구하는 실험에 사용할 초저온 원자를 만드는 데 사용된다. 보스-아인슈타인 응축 연구나 양자 컴퓨터 실험 등, 극저온에서 거시적인 물체에도 뚜렷하게 나타나는 양자성을 연구하기 위해 사용된다.[34][35][36]

레이저 냉각은 중성 원자와 포획된 원자 이온을 기반으로 하는 양자 컴퓨팅에 중요하다. 이온 트랩에서 도플러 냉각은 이온의 무작위 운동을 줄여 트랩에서 잘 정돈된 결정 구조를 형성한다.

6. 장비

레이저 냉각 실험에는 전문적인 장비가 필요하다. 이러한 장비는 크게 레이저 냉각된 원자를 담는 진공 챔버와, 냉각 및 원자 조작에 사용되는 레이저 시스템으로 구성된다.[1]

6. 1. 진공 시스템

레이저 냉각을 위해서는 원자들이 실온의 배경 기체 입자와 충돌하지 않도록 해야 한다. 이러한 충돌은 원자를 급격히 가열시켜 약한 트랩에서 벗어나게 하기 때문이다. 냉원자 장치에서 허용되는 충돌률을 위해서는 일반적으로 10nTorr의 진공 압력이 필요하며, 심지어 수백 또는 수천 배나 더 낮은 압력이 필요한 경우도 많다.[1] 이러한 낮은 압력을 얻기 위해서는 진공 챔버가 필요하다. 진공 챔버에는 일반적으로 원자를 레이저로 조작하고 (예: 레이저 냉각), 원자가 방출하는 빛이나 원자가 빛을 흡수하는 것을 감지할 수 있도록 창이 달려 있다.[1] 또한, 진공 챔버에는 레이저 냉각될 원자를 위한 원자 소스가 필요한데, 이 원자 소스는 일반적으로 열을 가해 레이저 냉각될 수 있는 열적 원자를 생성한다.[1] 이온 트래핑 실험의 경우, 진공 시스템은 이온 트랩을 유지하고 트랩에 적합한 전기 피드스루(feedthrough)를 갖추어야 한다.[1] 중성 원자 시스템은 종종 원자를 수집하고 냉각하는 초기 단계 중 하나로 자기 광학 트랩을 사용하는데, 이 경우 일반적으로 자기장 기울기를 생성하기 위해 진공 챔버 외부에 자기장 코일을 배치한다.[1]

6. 2. 레이저 시스템

레이저 냉각에 사용되는 레이저는 냉각 대상 원자의 종류에 따라 결정된다. 각 원자는 고유한 전자 전이 파장을 가지므로, 레이저 냉각을 위해서는 해당 원자의 특성에 맞는 특정 파장의 레이저가 필요하다. 예를 들어, 루비듐 원자는 780nm 파장에서 수 GHz로 분리된 두 개의 전이를 가지므로, 780nm 신호 레이저와 전기 광학 변조기를 사용하여 레이저 빛을 생성한다. 중성 원자 냉각에는 일반적으로 수십 mW (더 많은 원자를 냉각시킬 때는 수백 mW)의 광학 전력이 사용되는 반면, 갇힌 이온은 레이저 빛을 작은 지점에 집중시킬 수 있어 마이크로와트 수준의 광학 전력으로도 충분하다. 스트론튬 이온의 경우, 도플러 냉각을 위해 422nm와 1092nm 파장의 빛이 필요하다.

레이저 냉각에는 레이저의 도플러 이동이 작기 때문에 수 MHz 수준의 매우 좁은 선폭을 가진 레이저가 필요하다. 이러한 레이저는 원자 전이에 정확하게 맞추기 위해 분광 참조 셀, 광학 공진기, 또는 파장 측정기 등을 사용하여 안정화된다.

참조

[1] 웹사이트 The Nobel Prize in Physics 1997 http://nobelprize.or[...] Nobel Foundation 2008-10-09
[2] 서적 A Treatise on Electricity and Magnetism, II
[3] 간행물 Les forces de Maxwell-Bartoli dues à la pression de la lumière https://www.europhys[...]
[4] 논문 Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes https://zenodo.org/r[...]
[5] 논문 A Preliminary Communication on the Pressure of Heat and Light Radiation https://link.aps.org[...]
[6] 논문 The Pressure Due To Radiation . (Second Paper.) https://journals.aps[...]
[7] 논문 The Pressure Due To Radiation. (Second Paper.) https://journals.aps[...]
[8] 논문 Experimenteller Nachweis des Einsteinschen Strahlungsrückstoßes https://link.springe[...]
[9] 논문 Cooling of gases by laser radiation 1975-01
[10] 논문 Proposed 1014 {{nowrap|∆''ν'' < ''ν''}} laser fluorescence spectroscopy on T1+ mono-ion oscillator III 1975-01-01
[11] 논문 Nobel Lecture: Laser cooling and trapping of neutral atoms
[12] 논문 Trapping of Atoms by Resonance Radiation Pressure 1978-03-20
[13] 논문 Laser Deceleration of an Atomic Beam 1982-03-01
[14] 논문 Observation of Atoms Laser Cooled below the Doppler Limit
[15] 논문 Focus: Landmarks: Laser Cooling of Atoms https://physics.aps.[...] 2008-04-02
[16] 논문 Laser Cooling and Manipulation of Neutral Particles http://massey.dur.ac[...] 2017-05-06
[17] 논문 Ultracold atomic gases going strong 2016-06-01
[18] 논문 First laser cooling of relativistic ions in a storage ring 1990-06-11
[19] 논문 Laser cooling of antihydrogen atoms 2021-04
[20] 논문 Laser cooling of a diatomic molecule
[21] 논문 Optoelectrical Cooling of Polar Molecules to Submillikelvin Temperatures https://journals.aps[...] 2024-01-10
[22] 논문 Magneto-optical trapping and sub-Doppler cooling of a polyatomic molecule
[23] 뉴스 Laser-cooling Brings Large Object Near Absolute Zero https://www.scienced[...] ScienceDaily
[24] 웹사이트 Caltech Team Uses Laser Light to Cool Object to Quantum Ground State https://www.caltech.[...] 2013-06-27
[25] 논문 Nobel Lecture: Laser cooling and trapping of neutral atoms https://www.nobelpri[...]
[26] 논문 Laser Cooling below the One-Photon Recoil Energy by Velocity-Selective Coherent Population Trapping
[27] 논문 Cavity-Induced Atom Cooling in the Strong Coupling Regime
[28] 논문 Single-atom imaging of fermions in a quantum-gas microscope
[29] 저널 인용 Nobel Lecture: Laser cooling and trapping of neutral atoms
[30] 웹인용 Cooling of gases by laser radiation - ScienceDirect http://ac.els-cdn.co[...] 2017-05-05
[31] 웹인용 Laser Cooling http://hyperphysics.[...] 2017-05-06
[32] 저널 인용 Laser Cooling and Manipulation of Neutral Particles http://massey.dur.ac[...] 2021-04-21
[33] 저널 인용 Ultracold atomic gases going strong https://oup.silverch[...]
[34] 저널 인용 Laser cooling of a diatomic molecule
[35] 뉴스 Laser-cooling Brings Large Object Near Absolute Zero https://www.scienced[...] Massachusetts Institute of Technology 2007-04-08
[36] 뉴스 Caltech Team Uses Laser Light to Cool Object to Quantum Ground State https://www.caltech.[...] Caltech.edu 2013-06-27


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