反ストークス冷却

反ストークス冷却は、レーザー冷却をマクロな試料に適用することを可能にする。反ストークス冷却のアイデアは、 1929年にピーター・プリングスハイム [de]によって初めて提唱された^[1]。ドップラー冷却が試料の並進温度を下げるのに対し、反ストークス冷却は媒質の振動励起またはフォノン励起を低下させる。これは、レーザービームを用いて物質を低いエネルギー状態から高いエネルギー状態へと励起し、その後、さらに低いエネルギー状態へと放出させることによって実現される。

効率的な冷却のための主要な条件は、終状態への反ストークス放出率が、他の状態への放出率、および非放射緩和率よりも著しく大きいことです。振動エネルギーまたはフォノンエネルギーは、ドップラー広がりに関連するエネルギーよりも桁違いに大きい可能性があるため、反ストークス冷却に費やされるレーザー光子あたりの熱除去効率は、ドップラー冷却の場合よりもそれに応じて大きくなります。

歴史

反ストークス冷却効果は、Djeu と Whitney によって CO2 ガス中で初めて実証されました_。 [ ^2]固体での最初の反ストークス冷却は、1995 年に Epstein らによって、イッテルビウムをドープしたフッ化物ガラスサンプルで実証されました。^{[3] 1999 年に、 Gosnell らは、イッテルビウムをドープしたフッ化物ガラス (Yb:}ZBLAN )のファイバーを 236 K まで冷却しました。^[4]その後 2005 年に、同じ固体がさらに 208 K まで冷却されました。^{[5] 2010 年に、 LiYF}₄結晶で極低温 155 K まで冷却が達成されました。^[6] 2013 年に、 Melgaard らは、 Yb:YLFを119 Kまで冷却した。^[7]反ストークス冷却によって達成された最低温度である90 Kは、2017年にグラゴシアンらによってYb:YLFで実証された。これは、物質の小さな吸収確率を補うために、実験から離れる前に光子に多くの吸収機会を与えるマルチパスヘリオットセルを使用したものである。^[8]

アプリケーション

固体の反ストークス冷却の潜在的な実用的応用としては、放射バランス固体レーザーや振動のない光冷凍などがあり、極低温液体では重量と複雑さが増す宇宙光学系などの用途に有用である。^[9]^[10]

参考文献

^ P. プリングスハイム (1929)。ピーター・プリングスハイム（1929年）。「Zwei Bemerkungen über den Unterschied von Lumineszenz- und Temperaturstrahlung」。物理学の時代。 Vol. 57、いいえ。 11–12。739–746ページ。土井: 10.1007 /BF01340652。
^ N. Djeu and WT Whitney (1981) Djeu, N.; Whitney, WT (1981). 「自発反ストークス散乱によるレーザー冷却」. Physical Review Letters . Vol. 46, no. 4. pp. 236– 239. doi :10.1103/PhysRevLett.46.236.
^ RI Epstein、MI Buchwald、BC Edwards、TR Gosnell、CE Mungan (1995) 「固体のレーザー誘起蛍光冷却の観察」Nature .
^ Gosnell, T. (1999). 「室温から65 Kまでの固体のレーザー冷却」 . Opt. Lett . 24 (15): 1041– 1043. Bibcode :1999OptL...24.1041G. doi :10.1364/OL.24.001041. PMID 18073934.
^ Thiede, J. (2005). 「光冷凍による208Kへの冷却」 .応用物理学論文集. 86 (15) 154107. Bibcode :2005ApPhL..86o4107T. doi :10.1063/1.1900951.
^ Seletskiy, D. (2010). 「固体の極低温へのレーザー冷却」 . Nature Photon . 4 (3): 161– 164. Bibcode :2010NaPho...4..161S. doi :10.1038/nphoton.2009.269.
^ Seth, D. (2013). 「米国標準技術研究所の極低温温度以下の119°Kまでの光冷凍」 . Opt. Lett . 38 (9): 1588– 1590. doi :10.1364/OL.38.001588. PMID 23632561.
^ Gragossian, Aram (2017). 「光冷凍が液体窒素温度に近づく」 . SPIE . doi :10.1117/2.1201704.006840.
^ SR Bowman (1999) Bowman, SR (1999). 「内部発熱のないレーザー」. IEEE Journal of Quantum Elect . 第35巻. pp. 115– 122. doi :10.1109/3.737628.
^ DV Seletskiy, R. Epstein, M. Sheik-Bahae (2016) Seletskiy, Denis V.; Epstein, Richard; Sheik-Bahae, Mansoor (2016). 「固体におけるレーザー冷却：進歩と展望」Reports on Progress in Physics . 第79巻、第9号、p. 096401. doi :10.1088/0034-4885/79/9/096401.

[1] P. プリングスハイム (1929)。ピーター・プリングスハイム（1929年）。「Zwei Bemerkungen über den Unterschied von Lumineszenz- und Temperaturstrahlung」。物理学の時代。 Vol. 57、いいえ。 11–12。739–746ページ。土井: 10.1007 /BF01340652。

[2] N. Djeu and WT Whitney (1981) Djeu, N.; Whitney, WT (1981). 「自発反ストークス散乱によるレーザー冷却」. Physical Review Letters . Vol. 46, no. 4. pp. 236– 239. doi :10.1103/PhysRevLett.46.236.

[3] RI Epstein、MI Buchwald、BC Edwards、TR Gosnell、CE Mungan (1995) 「固体のレーザー誘起蛍光冷却の観察」Nature .

[4] Gosnell, T. (1999). 「室温から65 Kまでの固体のレーザー冷却」 . Opt. Lett . 24 (15): 1041– 1043. Bibcode :1999OptL...24.1041G. doi :10.1364/OL.24.001041. PMID 18073934.

[5] Thiede, J. (2005). 「光冷凍による208Kへの冷却」 .応用物理学論文集. 86 (15) 154107. Bibcode :2005ApPhL..86o4107T. doi :10.1063/1.1900951.

[6] Seletskiy, D. (2010). 「固体の極低温へのレーザー冷却」 . Nature Photon . 4 (3): 161– 164. Bibcode :2010NaPho...4..161S. doi :10.1038/nphoton.2009.269.

[7] Seth, D. (2013). 「米国標準技術研究所の極低温温度以下の119°Kまでの光冷凍」 . Opt. Lett . 38 (9): 1588– 1590. doi :10.1364/OL.38.001588. PMID 23632561.

[8] Gragossian, Aram (2017). 「光冷凍が液体窒素温度に近づく」 . SPIE . doi :10.1117/2.1201704.006840.

[9] SR Bowman (1999) Bowman, SR (1999). 「内部発熱のないレーザー」. IEEE Journal of Quantum Elect . 第35巻. pp. 115– 122. doi :10.1109/3.737628.

[10] DV Seletskiy, R. Epstein, M. Sheik-Bahae (2016) Seletskiy, Denis V.; Epstein, Richard; Sheik-Bahae, Mansoor (2016). 「固体におけるレーザー冷却：進歩と展望」Reports on Progress in Physics . 第79巻、第9号、p. 096401. doi :10.1088/0034-4885/79/9/096401.