Kinetic theory of subrecoil-laser-cooled gases based on infinite ergodic theory

基于无限遍历理论的亚反冲激光冷却气体动力学理论

基本信息

批准号：
21K03392
负责人：
秋元琢磨
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Tokyo University of Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

レーザーを用いた冷却では、フォトンの吸収・放出により、原子の運動量をランダムに変化させる。実験的には、Velocity Selective Coherent Population Trapping により、運動量に応じてフォトンの吸収・放出を変化させ、低温の原子はフォトンとエネルギーのやり取りを行わないようにすることができる。したがって、冷却過程は、運動量空間上で不均一なジャンプ率を導入したランダムウォークで記述される。このランダムウォークモデルは運動量ゼロに向かう力がないにもかかわらず、運動量は分布としてゼロに向かっていく。このような分布関数や統計量が時々刻々と変化する非定常な過程では、従来の定常性を仮定した確率論によるアプローチができないため、その理論的取り扱いが困難になっている。これまで、何故、そして、どのように運動量がゼロになるか直感的には理解されているが、冷却された気体の運動論は明らかになっていない。本研究の目的は、レーザー冷却により冷却された原子(気体)の運動論を構築する事である。本年度は、レーザー冷却の１粒子のモデルとして、三つの確率モデルのエルゴード特性を研究し、運動量空間上のプロパゲーターが無限測度へ近づいていくことを示し、エネルギーの時間平均がモデルパラメータに応じて、様々な分布へ収束することを解析的に示すことができた。これらの成果は、以下の論文で出版された。T. Akimoto, E. Barkai, and G. Radons, “Infinite ergodic theory for three heterogeneous stochastic models with application to subrecoil laser cooling,” Phys. Rev. E 105, 064126 (2022).

使用激光进行冷却通过吸收和发射光子来随机改变原子的动量。实验上，速度选择性相干布居捕获可以根据光子的动量改变光子的吸收和发射，并阻止冷原子与光子交换能量。因此，冷却过程通过随机游走来描述，该随机游走在动量空间中引入了非均匀跳跃率。在这个随机游走模型中，即使没有朝向零动量的力，动量也趋向于零作为分布。这种分布函数和统计量随时变化的不稳定过程无法使用假设平稳的传统概率论在理论上进行处理，因此很难从理论上处理它们。到目前为止，人们已经直观地理解了动量为何以及如何变为零，但冷却气体的动力学理论尚不清楚。本研究的目的是构建激光冷却原子（气体）的动力学理论。今年，我们将研究三种随机模型作为激光冷却单粒子模型的遍历特性，并表明动量空间中的传播器接近无限测度，并且能量的时间平均值根据模型参数而变化。我们能够分析表明它收敛于各种分布。这些结果发表在以下论文中。 T. Akimoto、E. Barkai 和 G. Radons，“三种异质随机模型的无限遍历理论及其在亚反冲激光冷却中的应用”，Phys Rev. E 105, 064126 (2022)。