Laserkylning är en metod för att bromsa atomer, och därmed kyla dem, med hjälp av lasrar. Vanligtvis ser vi lasrar som att värma upp saker, och det gör de verkligen på makroskopiska skalor, men för enskilda atomer eller små grupper av atomer kan de användas för kylning. De kallaste temperaturerna som någonsin genererats, mindre än en halv miljarddel av en Kelvin (0.5 nanoKelvin) har uppnåtts genom att använda en kombination av laserkylning och evaporativ kylning. Dessa temperaturer uppnås med små mängder diffusa gaser.
Den primära mekanismen genom vilken laserkylning saktar ner atomer är genom att få dem att absorbera och emittera fotoner i slumpmässiga riktningar. Så länge atomens hastighet är större än rekylhastigheten för fotonemission, reduceras den totala hastigheten. Om du svävade på en svävare, flyttade en betydande hastighet i en riktning och slumpmässigt kastade metallkulor från svävaren, skulle din hastighet så småningom sakta ner och dina rörelser skulle helt och hållet dikteras av rekyleffekten av att kasta bollarna. Det är så laserkylning fungerar.
Laserkylning riktar sig selektivt mot atomer som rör sig i vissa riktningar och med vissa hastigheter i gasen. Genom att ställa in ljuset till en specifik frekvens, strax under resonansfrekvensen för ämnet, riktar laserfällan endast de atomer som rör sig mot den. Detta beror på Dopplereffekten – när atomen rör sig mot källlasern ökar ljusets frekvens från den atomens synvinkel. Detta är samma anledning till att ljudfrekvensen varierar när ett tåg rusar förbi en stationär observatör – den relativa hastigheten mellan källa och objekt manipulerar den skenbara frekvensen. För atomer som inte rör sig med den tröskelhastigheten är de transparenta för lasern och påverkas därför inte av den.
När ljusets skenbara frekvens med avseende på vissa atomer i laserkylningsfällan är helt rätt, absorberar atomen de inkommande fotonerna, blir tillfälligt mer energisk och avger sedan en foton. Så atomer som rör sig i en viss riktning över en tröskelhastighet saktas selektivt ned av laserkylningsanordningen. Genom att arrangera lasrarna i en 3-dimensionell matris, som omger den diffusa gasen, kan atomhastigheten i alla tre frihetsgraderna dämpas, vilket leder till mindre atomrörelse och därför lägre temperatur. Gasen måste vara diffus för att säkerställa att fotoner inte återabsorberas av intilliggande atomer. Att långsamt manipulera laserns frekvens kan också vara till hjälp, eftersom det kan kräva flera nedkylningssteg för att sänka gasen till önskad temperatur. Gör det försiktigt så kanske du får det forskningsbidraget du alltid velat ha.