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ラマン冷却

(Raman cooling から転送)

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2020/01/01 13:26 UTC 版)

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この項目「ラマン冷却」は翻訳されたばかりのものです。不自然あるいは曖昧な表現などが含まれる可能性があり、このままでは読みづらいかもしれません。（原文：en: Raman cooling）
修正、加筆に協力し、現在の表現をより原文に近づけて下さる方を求めています。ノートページや履歴も参照してください。（2017年10月）

原子物理学において、ラマン冷却（ラマンれいきゃくRaman cooling）とは、ドップラー冷却（英語版）には存在する、光子が原子に与えることのできる反跳エネルギーの限界、反跳限界を超えた冷却が可能な光学的な冷却法である。この方式は単純な光モラセス（英語版）内、および光格子を重ね合わせた光モラセスの中で行うことが可能で、それぞれ自由空間ラマン冷却^[1]およびラマンサイドバンド冷却^[2]と呼ばれる。どちらの技術も原子によるレーザー光のラマン散乱を利用する。

2光子ラマン過程

原子の2つの超微細構造間の遷移は二つのレーザー光線により引き起こすことができる。最初の光線により原子は（たとえばその周波数が実遷移周波数より小さいという理由で）仮想励起状態へ励起され、次の光線により別の超微細構造へと脱励起される。2つの光線の間の周波数差は厳密に二つの超微細準位間の遷移周波数と一致する。

この過程を模式化すると、2光子ラマン過程の模式図として表わすことができる。これにより、二つの準位 $|g_{1}\rangle$

ラマン過程を用いることにより、原子を磁気モーメントが1つ小さく、振動準位も1つ下の状態に移すことができる（図中赤矢印）。その後、格子ポテンシャルの最低振動状態の原子（ただし $m\neq 1$ ）を m=1 状態に光ポンピングする（ $\sigma _{+}$ ビームと $\pi$ ビームの役割）。原子の温度はビーム周波数に比べて十分に低いため、このポンピング過程中に原子の振動状態が変化する確率は低い。したがって、原子はより低い振動準位になり、冷却が行われる。この、低い振動準位への移送を各ステップで効率的に行うためには、強度やタイミングなどのレーザーのパラメータを注意深く調整する必要がある。一般的に、カップリング強度（ラビ周波数）は振動準位に依存するため、これらのパラメータは振動準位が違えば異なる。このナイーブな描写は、この遷移を起こす光子の反跳（英語版）の存在によりさらに複雑化する。この複雑さはラム–ディッケ領域と呼ばれる領域で冷却を行うことにより一般的には避けることができる。この領域では、原子が強固にトラップされているためその運動量は光子の反跳によって実効上変化しない。この状況はメスバウアー効果に似ている。

この冷却方式により、光学的技術のみを用いるよりも高密度の原子群を低温にすることができる。例えば、ボース＝アインシュタイン凝縮を実現するにはまだ不十分であるが、その種の実験の出発点とすることはできる。例えば、セシウムのボース＝アインシュタイン凝縮を初めて実現した実験ではラマンサイドバンド冷却が最初のステップとして用いられている^[3]。