ловушка канала охлаждения что это значит
Что означает Full No Frost в современных холодильниках?
Каковы самые важные характеристики современного холодильника? В первую очередь, это привлекательный дизайн, удобное управление, грамотная организация внутреннего пространства, экономичность и долговечность. Все эти качества присущи технике от бренда LEX. В описании холодильников часто можно увидеть следующий параметр: Full No Frost (или Total No Frost). Давайте разбираться, что это означает.
Что такое Full no Frost?
Эта технология предполагает охлаждение/заморозку продуктов без инея. Инновационная система оттайки Full No Frost сначала использовалась только в морозильнике, в холодильной камере была капельная разморозка (статическая система, или так называемая «плачущая стенка»). Модели с комбинированным охлаждением сегодня обычно называются Frost Free. Система Full No Frost (она же Total No Frost) охватывает оба отделения, холодильное и морозильное.
За задней стенкой холодильника находится испаритель, между пластинами которого проходит воздушный поток, охлаждаясь и отдавая влагу. Лишняя вода намерзает в виде инея на поверхности испарителя. Время от времени включается ТЭН, который плавит лед и способствует выведению конденсата наружу, через специальный канал. Холодный воздух равномерно распределяется внутри холодильника благодаря мощному вентилятору и системе технологических отверстий на задней стенке. Технология Full No Frost обеспечивает равномерное охлаждение, без выраженных температурных этажей.
Какой хладагент применяется в системе охлаждения?
В большинстве современных холодильников используется рабочее вещество R-600a (изобутан). Это самый эффективный на сегодняшний день хладагент, техника отличается низким энергопотреблением. Изобутан безопасен для здоровья человека и домашних животных, он не вызывает истощение озонового слоя Земли. А благодаря автоматической оттайке пользоваться техникой «ЛЕКС» комфортно и безопасно.
Холодильники с системой Full No Frost
В нашем интернет-магазине данная технология представлена двухкамерными моделями LEX с общим полезным объемом 300 (RFS 203 NF WH) или 334 (LEX RFS 204 NF BL) литра. Удобный интерфейс с точным электронным контролем температуры позволяет отдельно регулировать микроклимат в холодильной и морозильной камере. Инновационный компрессор и качественная звукоизоляция гарантируют тихую работу приборов: максимальный уровень шума не превышает 38 дБ, комфортных для человека.
Охлаждение в чипе (через микроканалы в процессоре)! Разбор!
На улице жаркий денек, вы на своем ноутбуке решили немного поиграть, запустили игру и уже через полчасика игры на вашем ноуте можно поджарить яичницу, а руки вспотели как после тренировки в спортзале. Знакомая ситуация?
Но кто в этом виноват? Процессор и видеокарта, которые греются как будто только что устроили забег по всем кругам ада или охлаждение, которое скорее разбудит ваших соседей шумом кулеров, чем охладит что-то в компьютере. И что? Неужели охлаждение — это тупик, в который и упрется вся индустрия?
Сегодня попробуем в этом разобраться, а также расскажем вам как совсем скоро это уже изменится и, возможно, мы с вами сможем забыть о перегреве, троттлинге, а ладошки будут потеть только от напряженной катки в «контру».
Проблема охлаждения
Любые вычислительные устройства греются. И проблема их охлаждения — это одна из основных проблем современных компьютеров.
Замечали, что каждый производитель, на каждой презентации, будь то ноутбук или телефон хвастается, что он придумал новую систему охлаждения которая на 5% более эффективна чем раньше?
А что собственно улучшают: придумывают новые вентиляторы, радиаторы, или, более эффективную, водянку или испарительную камеру.
Проблема в том, что есть процессор, который в результате своей работы выделяет тепло и этого тепла много, очень много. Те же Intel Core i9 могут разогревать разогреваться до 95 градусов и это с работающей системой охлаждения.
ARM-процессоры конечно греются меньше в связи с другой архитектурой, но все равно проблема ощутима: смартфоны в жаркий день очень любят попросить их засунуть в холодильник! А что уж говорить о серверах, где проблема охлаждения чуть ли не самая острая.
Давайте посмотрим на датацентр Google в Финляндии! Они построили огромную систему теплообмена, которая работает на отдаче тепла от серверов — морской воде, которая забирается напрямую из холодного Финского Залива! При этом, чтобы уменьшить влияние на окружающую среду, они вынуждены дополнительно разбавлять горячую воду снова перед возвратом ее в море.
При этом Google даже приспособил искусственный интеллект для решения проблем охлаждения. Он разрабатывает более эффективные воздушные потоки, и расположение серверных стоек.
Процессоры и охлаждение
Вы понимаете — охлаждение это огромная головная боль. Если устройство нормально не охлаждается, то тратится огромное количество электроэнергии и уменьшается производительность чипов.
Любые процессоры изначально соприкасаются с охлаждающей системой только через термопасту. А она в свою очередь передает тепло дальше в систему охлаждения. Чтобы улучшить теплообмен производители идут на хитрости, например, делают поверхность чипа очень шершавой, чтобы увеличить площадь поверхности и соответственно улучшить отдачу тепла от процессора к системе охлаждения.
На самом деле, иногда, создается ощущение, что производители чипов и производители систем охлаждения живут порознь и вместе они как-то плохо взаимодействуют.
И основная проблема не в том, что они не знают, что делают, а в том, что они постоянно пытаются улучшить изначально не самую эффективную систему.
Ведь тепло в самом микропроцессоре, в термопасте, да и в медном блоке охлаждения передается только за счет внутренней теплопередачи материала, а это, мягко говоря, не самый быстрый и эффективный процесс.
И вот ученые подумали, а что если добавить каналы охлаждения прямо в процессор? Возможно ли это?
Микроканалы охлаждения
И вот в 2020 году ученые из Политехнической школы в Лозанне, что в Швейцарии, опубликовали статью в очень престижном журнале Nature.
Они задались вопросом: А можно ли как-то встроить очень маленькие каналы для жидкостного охлаждения прямо в чип, в процессе его производства? Ответ — да. Они это сделали. И не просто в процессор!
Они использовали преобразователь электрической энергии, который изначально сильно горячее, чем обычный процессор. И в нем они вытравили маленькие каналы.
Вы ведь помните что такое травление, если нет, то посмотрите наш классный недавний ролик про травление и осаждение.
Насколько же маленькие каналы они создали? Всего 20 микрометров толщиной, что в 2-3 раза тоньше человеческого волоса! И это дало просто взрывной результат!
Они вытравили эти каналы на обратной стороне чипа из Нитрида Галлия, который и занимался преобразованием тока. Эти микроканалы работают как некий объем с огромной площадью поверхности, через которую прокачивали жидкость, это и делает теплоотвод невероятно эффективным.
В результате чип работал всего при 60 градусах Цельсия, когда его обычная температура работы около 250 градусов без каналов! Только вдумайтесь в разницу температуры.
По факту их система охлаждения смогла отводить 1700 Ватт тепла на квадратный сантиметр используя всего 0,5 Ватта мощности насоса, которые уходили на откачку!
Например, процессоры Intel 10 поколения выделяют около 150 Ватт тепла, что сильно меньше того, на что способна эта система охлаждения.
Так что такие показатели, в теории, позволят работать современным процессорам просто при комнатной температуре, при этом сильно снижая энергопотребление на систему охлаждения. Получается, что и о троттлинге можно забыть!
Будущее
Но тут вы можете заметить, что это очередная научная работа! Она наверняка ни к чему не приведет или это случится очень нескоро. Производители чипов не будут перестраивать свои производства под новые типы процессоров. Но это совсем не так!
Суть в том, что для внедрения технологии у производителей уже все есть. Ведь для создания подобных микроканалов опять же надо использовать нашу святую троицу — фотолитографию, травление и осаждение!
В процессе производства просто надо добавить несколько дополнительных шагов!
Конечно — это сделает чипы дороже, но вспомните, что с приходом Экстремальной УФ-литографии общее число шагов сильно сократилось, из-за большего разрешения самой технологии! Так что есть вероятность, что сильно на цену это не повлияет, а эффективность охлаждения и, соответственно, производительность вырастут значительно! И мы бы не были бы собой если бы не рассказали вам о том, что эта технология уже совсем за углом.
Ведь TSMC, буквально недавно анонсировали что они протестировали три типа микроканалов и добились теплоотдачи в 2 КВт на площади 500 квадратных миллиметров и понижение температуры работы чипа на целых 63 градуса.
Конечно тут есть несколько вопросов — во-первых, это только тесты, а во-вторых не очень понятна надежность, ведь от любого удара такой микроканал может дать трещину и все внутри вашего ноутбука зальет охлаждающей жидкостью. Но в любом случае — это уже шаг вперед, ведь это уже тесты непосредственно от чипмейкера, а не просто от ученых!
И тут стоит еще вспомнить о том, что производители активно создают 3D-транзисторы, процессоры на основе технологии Nanosheets, которые позволят сильно увеличить плотность транзисторов на чипе, а значит и увеличить производительность. А в сочетании с новой системой охлаждения это будет просто огромный скачок вперед.
Выводы
Очень интересно посмотреть, когда эта технология появится на рынке и кто первый попробует ее реализовать!
Только представьте — новый чип от AMD с трехкратным увеличением количества транзисторов, который при этом совсем не греется! Звучит как фантастиска, но судя по всему это уже совсем рядом.
Мы же ждем подобного не только в наших гаджетах. Главными победителями тут конечно же станут датацентры по всему миру, которые смогут в разы увеличить свою энергоэффективность, а значит повысится и их скорость работы! В общем, перспективы отличные, осталось дождаться реализации.
Охлаждение в чипе (через микроканалы в процессоре)! Разбор!
На улице жаркий денек, вы на своем ноутбуке решили немного поиграть, запустили игру и уже через полчасика игры на вашем ноуте можно поджарить яичницу, а руки вспотели как после тренировки в спортзале. Знакомая ситуация?
Но кто в этом виноват? Процессор и видеокарта, которые греются как будто только что устроили забег по всем кругам ада или охлаждение, которое скорее разбудит ваших соседей шумом кулеров, чем охладит что-то в компьютере. И что? Неужели охлаждение — это тупик, в который и упрется вся индустрия?
Сегодня попробуем в этом разобраться, а также расскажем вам как совсем скоро это уже изменится и, возможно, мы с вами сможем забыть о перегреве, троттлинге, а ладошки будут потеть только от напряженной катки в «контру».
Проблема охлаждения
Любые вычислительные устройства греются. И проблема их охлаждения — это одна из основных проблем современных компьютеров.
Замечали, что каждый производитель, на каждой презентации, будь то ноутбук или телефон хвастается, что он придумал новую систему охлаждения которая на 5% более эффективна чем раньше?
А что собственно улучшают: придумывают новые вентиляторы, радиаторы, или, более эффективную, водянку или испарительную камеру.
Проблема в том, что есть процессор, который в результате своей работы выделяет тепло и этого тепла много, очень много. Те же Intel Core i9 могут разогревать разогреваться до 95 градусов и это с работающей системой охлаждения.
ARM-процессоры конечно греются меньше в связи с другой архитектурой, но все равно проблема ощутима: смартфоны в жаркий день очень любят попросить их засунуть в холодильник! А что уж говорить о серверах, где проблема охлаждения чуть ли не самая острая.
При этом Google даже приспособил искусственный интеллект для решения проблем охлаждения. Он разрабатывает более эффективные воздушные потоки, и расположение серверных стоек.
Процессоры и охлаждение
Вы понимаете — охлаждение это огромная головная боль. Если устройство нормально не охлаждается, то тратится огромное количество электроэнергии и уменьшается производительность чипов.
Любые процессоры изначально соприкасаются с охлаждающей системой только через термопасту. А она в свою очередь передает тепло дальше в систему охлаждения. Чтобы улучшить теплообмен производители идут на хитрости, например, делают поверхность чипа очень шершавой, чтобы увеличить площадь поверхности и соответственно улучшить отдачу тепла от процессора к системе охлаждения.
На самом деле, иногда, создается ощущение, что производители чипов и производители систем охлаждения живут порознь и вместе они как-то плохо взаимодействуют.
И основная проблема не в том, что они не знают, что делают, а в том, что они постоянно пытаются улучшить изначально не самую эффективную систему.
Ведь тепло в самом микропроцессоре, в термопасте, да и в медном блоке охлаждения передается только за счет внутренней теплопередачи материала, а это, мягко говоря, не самый быстрый и эффективный процесс.
И вот ученые подумали, а что если добавить каналы охлаждения прямо в процессор? Возможно ли это?
Микроканалы охлаждения
Они задались вопросом: А можно ли как-то встроить очень маленькие каналы для жидкостного охлаждения прямо в чип, в процессе его производства? Ответ — да. Они это сделали. И не просто в процессор!
Они использовали преобразователь электрической энергии, который изначально сильно горячее, чем обычный процессор. И в нем они вытравили маленькие каналы.
Вы ведь помните что такое травление, если нет, то посмотрите наш классный недавний ролик про травление и осаждение.
Насколько же маленькие каналы они создали? Всего 20 микрометров толщиной, что в 2-3 раза тоньше человеческого волоса! И это дало просто взрывной результат!
Они вытравили эти каналы на обратной стороне чипа из Нитрида Галлия, который и занимался преобразованием тока. Эти микроканалы работают как некий объем с огромной площадью поверхности, через которую прокачивали жидкость, это и делает теплоотвод невероятно эффективным.
В результате чип работал всего при 60 градусах Цельсия, когда его обычная температура работы около 250 градусов без каналов! Только вдумайтесь в разницу температуры.
По факту их система охлаждения смогла отводить 1700 Ватт тепла на квадратный сантиметр используя всего 0,5 Ватта мощности насоса, которые уходили на откачку!
Например, процессоры Intel 10 поколения выделяют около 150 Ватт тепла, что сильно меньше того, на что способна эта система охлаждения.
Так что такие показатели, в теории, позволят работать современным процессорам просто при комнатной температуре, при этом сильно снижая энергопотребление на систему охлаждения. Получается, что и о троттлинге можно забыть!
Будущее
Но тут вы можете заметить, что это очередная научная работа! Она наверняка ни к чему не приведет или это случится очень нескоро. Производители чипов не будут перестраивать свои производства под новые типы процессоров. Но это совсем не так!
Суть в том, что для внедрения технологии у производителей уже все есть. Ведь для создания подобных микроканалов опять же надо использовать нашу святую троицу — фотолитографию, травление и осаждение!
В процессе производства просто надо добавить несколько дополнительных шагов!
Конечно — это сделает чипы дороже, но вспомните, что с приходом Экстремальной УФ-литографии общее число шагов сильно сократилось, из-за большего разрешения самой технологии! Так что есть вероятность, что сильно на цену это не повлияет, а эффективность охлаждения и, соответственно, производительность вырастут значительно! И мы бы не были бы собой если бы не рассказали вам о том, что эта технология уже совсем за углом.
Конечно тут есть несколько вопросов — во-первых, это только тесты, а во-вторых не очень понятна надежность, ведь от любого удара такой микроканал может дать трещину и все внутри вашего ноутбука зальет охлаждающей жидкостью. Но в любом случае — это уже шаг вперед, ведь это уже тесты непосредственно от чипмейкера, а не просто от ученых!
И тут стоит еще вспомнить о том, что производители активно создают 3D-транзисторы, процессоры на основе технологии Nanosheets, которые позволят сильно увеличить плотность транзисторов на чипе, а значит и увеличить производительность. А в сочетании с новой системой охлаждения это будет просто огромный скачок вперед.
Выводы
Очень интересно посмотреть, когда эта технология появится на рынке и кто первый попробует ее реализовать!
Только представьте — новый чип от AMD с трехкратным увеличением количества транзисторов, который при этом совсем не греется! Звучит как фантастиска, но судя по всему это уже совсем рядом.
Мы же ждем подобного не только в наших гаджетах. Главными победителями тут конечно же станут датацентры по всему миру, которые смогут в разы увеличить свою энергоэффективность, а значит повысится и их скорость работы! В общем, перспективы отличные, осталось дождаться реализации.
Ловушка канала охлаждения что это значит
Лазерное охлаждение вещества. Обзор.
Первым аппаратным методом охлаждения был метод термодинамический. Если газ сильно сжать, его температура повышается. Потом его охлаждают до температуры окружающей среды, забирая у него часть энергии. Если теперь увеличить объем, то температура понизится. Повторяя этот цикл много раз, можно получить температуры, при которых сжижаются азот и кислород, составляющие воздух.
Обычные криостаты позволяют охлаждать вещество до температуры примерно 0,05К. Лазерное охлаждение позволяет получать экстремально низкие температуры – вплоть до нескольких нанокельвинов, то есть, отличающиеся от принципиально недостижимого абсолютного нуля всего на несколько миллиардных долей градуса. Для сравнения: азот становится жидким при температуре 77.4К, кислород – при 90.18К, водород – при 20.28К, и самый трудносжижаемый газ, гелий – при 4.22К. При температуре 2.17К гелий переходит в сверхтекучее состояние. Напомню, что шкала Кельвина – шкала температур, в которой температура тройной точки воды равна 273.16 градусов точно. По Цельсию это температура +0.01 градуса (но уже не точно), поэтому абсолютный нуль – это –273.15 градусов по Цельсию (тоже не точно).
Лазерное охлаждение основано на явлении радиационного давления, высказанного еще Дж.К. Максвеллом и исследованного тончайшими по тому времени экспериментами П.Н. Лебедева. Если рассматривать элементарный акт взаимодействия света с веществом, то радиационное давление возникает, когда атом вещества поглощает фотон, переходя на более высокий уровень. Импульс фотона по закону сохранения импульса при этом передается атому. Если же фотон пролетает мимо атома без поглощения, то никакого давления при этом не оказывается.
Доплеровское охлаждение.
Схема прибора для охлаждения атомов приведена на рис.1.
Рис. 1. Доплеровское охлаждение атомов.
Пусть атом представляет собой двухуровневую систему с двумя возможными энергиями E1 ħω.
В системе отсчета, связанной с атомом, все еще проще. Налетающий фотон, испытавший доплеровское «посинение», имеет энергию, равную энергии атомного перехода. В этой системе отсчета кинетическая энергия атома не меняется. При испускании фотона тот тоже имеет такую же энергию, как и поглощенный.
Эта система получила существенное усовершенствование, которое именуется «оптической патокой». Схема прибора, использующего «оптическую патоку», приведена на рис. 2.
Рис. 2. Охлаждение с магнитооптической ловушкой. (Рисунок из интернета).
Как ни парадоксально, но для получения сверхнизких температур вещество вначале нагревают до 1000 и более градусов. Это необходимо для получения, например, паров металлов в качестве рабочего вещества, которые вводятся в рабочую зону с помощью специальных устройств.
Если в устройстве на рис. 1 применить не одну, а две встречных световых волны, настроенных так, как описано выше, то каждая из них будет «тормозить» атомы, двигающиеся навстречу, и не оказывать влияния на попутные. То есть, тормозиться будут атомы, летящие и вправо, и влево. Таким образом, эффект охлаждения будет усилен. Если же применить не одну, а три пары встречных световых волн, образованных тремя взаимно перпендикулярными парами лазеров, как показано на рис. 2, то эффект будет усилен многократно. В какую бы сторону не двигался атом, на него будет воздействовать тормозящее радиационное давление. Получается, что атом движется как бы в некой вязкой среде, уменьшающей его энергию. Этот эффект и называется «оптической патокой». Поскольку лазерами излучается большое количество фотонов, то такое устройство позволяет охладить атомы за несколько микросекунд.
Для удержания атомов используется устройство, именуемое МОЛ – магнитооптической ловушкой, состоящей из двух – лазерной и магнитной ловушек. Лазерную ловушку создают встречные когерентные лазерные пучки, создающие световое поле, в котором из-за интерференции образуется объемная картина из пучностей и узлов. Наведенный дипольный момент p атома в электрическом поле E равен
p = αE
w = –1/2 (pE) = –1/2 αE^2
Обратим внимание на знак «минус». Таким образом, в пучностях с максимальной напряженностью будет наблюдаться минимум потенциальной энергии, образуются потенциальные ямы, в которых и будут стараться располагаться атомы. Это явление называется оптической решеткой.
Теоретические расчеты показывают, что в таких устройствах можно получить температуру вещества до 1/40000К.
Для еще лучшего удержания атомов в рабочей зоне используется динамический (переменный) эффект Штарка.
Рис. 3. Схема динамического эффекта Штарка.
На рис. 2 кроме лазеров изображены также индуктивные катушки магнитной ловушки и указано направление тока в них. Если ток в них течет в противоположные стороны, то в центре устройства будет область с практически нулевым магнитным полем. Диамагнитные вещества, помещенные в магнитное поле, стремятся попасть в то место, где магнитное поле минимально. Поэтому МОЛ будет собирать атомы в центре, где пересекаются лазерные лучи. Если эти лучи сфокусировать в центр, то там будет наблюдаться динамический эффект Штарка с раздвинутыми энергетическими уровнями. Поскольку нижний уровень смещен вниз, то в результате атомы будут стремиться занять это состояние, то есть, попадают в потенциальную яму.
Похожий метод, называемый зеемановским охлаждением, дает применение магнитного поля. Атомы при этом пролетают вдоль оси соленоида с переменным количеством витков обмотки. При воздействии на атом магнитного поля возникает так называемый эффект Зеемана, при котором энергетические уровни расщепляются вверх и вниз от основного на нечетное количество близко отстоящих друг от друга подуровней – рис 5а. Пусть верхний и нижний подуровни отличаются от основного по частоте перехода на величину δ. Тогда при подсветке лазером частотой ω-δ атомы с верхнего подуровня будут поглощать фотоны с энергией ħ(ω-δ), переходя на уровень 2. Обратный спонтанный переход с большой вероятностью будет осуществляться на нижний подуровень с испусканием кванта с энергией ħ(ω+δ). Разница энергий величиной 2ħδ будет отбираться у кинетической энергии атомов. Такой метод позволяет достичь скорости атомов около 40м/с с целью их последующего охлаждения.
Еще лучшие результаты дает интереснейшая разновидность этого метода дополнительного охлаждения атомов, называемая «сизифовым восхождением». Как известно, Сизиф, герой древнегреческих мифов, был приговорен богами за ряд грехов закатывать тяжелый камень на вершину горы в Тартаре. Но после долгого труда камень по достижении вершины быстро скатывался вниз, и Сизиф был вынужден все свое посмертное существование постоянно катить вверх на гору камень. Оказалось, что подобное явление можно использовать для очень сильного охлаждения атомов вещества. Для этого используется так же эффект Зеемана – рис. 5а.
Если навстречу друг другу направить две лазерные световые волны со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации, т.е., под углом π/2 друг к другу, то суммарные векторы поляризации вдоль направления волн будут направлены так, как показано на рис.4. Если длина световой волны равна λ, то в точках оси 0, λ/4, λ/2, … поляризация будет линейной, а в точках λ/8, 3λ/8, 5λ/8, … – круговой, направленной, как показано на рисунке и обозначаемой σ+ и σ- в зависимости от направления вращения плоскости поляризации. Это явление называется градиентом поляризаций.
Рис.4. Градиент поляризации встречных световых волн.
Если на атом воздействует мощная световая волна с круговой поляризацией, то это равносильно воздействию на него магнитного поля. Это в свою очередь вызывает расщепление нижнего энергетического уровня, как показано слева на рис.5. Образуются два дополнительных подуровня 1a и 1b, отстоящих от основного на энергию ħ(ω-δ) и ħ(ω+δ).
Рис. 5. Энергетические уровни при эффекте Зеемана и обмен энергией.
Если атом движется вдоль световой волны, то в тех местах, где поляризация круговая, уровень 1 расщепляется в зависимости от направления поляризации. При одном направлении поляризации 1a смещается вверх, а 1b – вниз, при противоположном – наоборот. На рис. 5 уровень 1a показан пунктиром, а 1b – сплошной линией. Лазеры настраиваются на частоту ω-δ.
Пусть атом в начале находится на уровне 1b и движется вдоль оси Z вправо. При достижении точки λ/8 свет лазера вызовет переход с поднявшегося уровня 1b на уровень 2 с поглощением кванта с энергией ħ(ω-δ). Возбужденный атом через короткое время испустит фотон и перейдет либо снова на уровень 1b, либо на уровень 1a. В первом случае ничего не происходит – энергия испущенного фотона тоже равна ħ(ω-δ). Но если рекомбинационный переход происходит на более низкий уровень 1a, то испущенный фотон имеет энергию ħ(ω+δ), большую, чем поглощенный, и дефицит энергии величиной 2ħδ будет восполнен за счет кинетической энергии – атом притормозится.
При дальнейшем движении атом находится на уровне 1a, но в точке 3λ/8 этот уровень будет уже верхним. По пути от λ/8 до 3λ/8 атом снова «взбирается на гору», повышая свою внутреннюю энергию за счет кинетической снова на 2ħδ, – Сизиф катит свой камень на гору. В этой точке снова произойдет возбуждение лазером на уровень 2 и испускание фотона при переходе на теперь более низкий 1b, и атом снова притормозится, потеряв еще одну порцию энергии величиной 2ħδ, опять оказавшись на дне потенциальной ямы. Сизифов камень опять срывается вниз, и бедолага начинает все с начала.
Таким образом, охлаждение происходит за счет того, что атом все время идет в гору, как показано широкой линией на рисунке, теряя кинетическую энергию за счет подъема, и за счет спонтанного излучения фотона с энергией большей, чем у поглощенного. Этот метод позволяет охладить вещество до температуры 10мкК – на одну стотысячную градуса выше абсолютного нуля. В 1997 г. за цикл работ по охлаждению атомов, в частности, за объяснение Сизифова механизма охлаждения французскому ученому Коэн-Тануджи (C. Cohen—Tannouudji) была присуждена Нобелевская премия по физике.
Охлаждение методом боковой полосы также связано с расщеплением квантово-механических уровней. Если атомы удерживаются в потенциальных ямах, образованных оптической или магнитооптической ловушкой, то с большой степенью точности такой атом можно описать как гармонический осциллятор. Энергетические уровни такого атома расщепляются за счет колебательных состояний всей системы – фононные состояния. В результате каждая линия между двумя переходами расщепляется на несколько близко расположенных линий.
Рис. 6. Фононные состояния.
Для простоты не показано расщепление верхнего уровня. Если выбрать линию «красной» боковой полосы, то есть, боковой полосы с частотами меньше частоты основного перехода, и возбуждать осциллятор лазером, настроенным на частоту, близкую к этим линиям, то за счет рекомбинации между уровнями «синей» полосы излученная энергия будет больше поглощенной, за счет чего и будет происходить охлаждение.
Охлаждение методом стакана с водой.
Вода в открытом стакане с водой в комнате имеет температуру ниже комнатной. Вследствие теплового движения самые быстрые молекулы вылетают из воды и покидают основной объем, в результате чего температура воды в стакане ниже температуры воды в комнате. Самые быстрые атомы в рабочем объеме в оптическую ловушку не попадают, их откачивают каким-то насосом. Наиболее быстрые среди оставшихся атомы вещества, находящиеся в оптической ловушке, могут из-за соударений получить энергию, достаточную для преодоления потенциальной ямы, и покинуть ее. Если при этом рабочий объем все время откачивать насосом, то данный эффект будет тоже приводить к понижению температуры атомов вещества.
Существуют и другие методы охлаждения вещества до сверхнизких температур, например, селективное по скоростям когерентное пленение населенностей, антистоксовое неупругое рассеяние света, и другие, которые мы здесь не будем рассматривать.
Охлажденные атомы ведут себя не так, как обычные. Если выключить ловушки, то облачко этих атомов, очень слабо разлетаясь, падает вниз с ускорением свободного падения. По скорости разлета облачка можно определить достигнутую температуру вещества. Особенно эффектно это выглядит при наличии послесвечения – светящееся облачко падает, как мячик.
Рис. 7. Картины свободного падения теплового облака атомов, имеющих температуру 0.6 мкК (слева) и бозе-эйнштейновского конденсата с температурой 0.35 мкК (справа) после выключения магнитной ловушки. Снимки сделаны с интервалом 5 мс. Из журнала «Вестник РФФИ» №4 за 2015 год.
Но это – внешний эффект. Гораздо интереснее проявление свойств атомов в состоянии конденсата Бозе–Эйнштейна. Это состояние возникает при сверхнизких температурах, если атом является бозоном, то есть, суммарный спин всех его частиц есть целое кратное постоянной Планка ħ. На бозоны не распространяется принцип запрета Паули и при температурах, близких к абсолютному нулю такие атомы все могут находиться в одном и том же состоянии с наименьшей возможной энергией. Это приводит к появлению ряда очень интересных свойств. В рассматриваемой нами теме любопытно следующее.
Однако даже для довольно тяжелого атома рубидия при сверхнизких температурах длина волны может составить около 0.1 микрона, что по меркам квантовой механики очень большая величина. Когда длина волны де Бройля становится сравнимой с межатомными расстояниями, атомные волновые пакеты начинают перекрываться и газ становится смесью неразличимых частиц – это и есть конденсат Бозе–Эйнштейна. Находясь в оптической ловушке, атомы в виде конденсата Бозе–Эйнштейна, проявляя волновые свойства, образуют стоячие волны. Поскольку они все находятся в одном состоянии, то стоячие волны одинаковы и, накладываясь друг на друга, интерферируют, и образуют узлы и пучности. Если эту картинку осветить сбоку рентгеновским излучением с гораздо меньшей длиной волны, то на фотоматериале можно получить фотографию волн материи в виде сгустков!
Немного о технике для лазерного охлаждения. Конструктивно установки такого типа достаточно просты, и в современных ВУЗах на них работают даже студенты и старшеклассники. Однако составляющие установку компоненты – прецизионные приборы, продукты современнейшей науки и высочайших технологий. Например, лазеры на 600нм с перестройкой частоты ±300МГц и шириной спектральной линии в доли герца. Луч такого лазера можно было бы послать на Луну и получить обратно – он сохранил бы свою когерентность и позволил бы наблюдать интерференцию. Энергетические уровни атомов вещества испытывают уширение и расщепление за счет взаимодействий с окружающими атомами, что приводит к увеличению ширины их спектральных линий. На рис. 8 показано, что уширение энергетических уровней, которое дают столкновения от теплового взаимодействия, приводят к соответствующему уширению спектральной линии на таких переходах. Такие сверхохлажденные атомы находят разнообразное применение в фундаментальных исследованиях, прецизионной спектроскопии, оптических атомных стандартах частоты нового поколения и квантовой информатике.
Рис. 8. Расщепление энергетических уровней и ширина спектральной линии.
В ФИАНе начинаются опытно-конструкторские работы для стандартов частоты по созданию лазера с шириной спектра менее одного герца. Частота его составит 500 терагерц – 5*10^14 колебаний в секунду, (600нм, зеленый) а электронная стабилизация по специальному резонатору позволит добиться стабильности менее одного «неправильного» колебания в секунду. Луч такого лазера можно было бы послать на Луну и получить обратно – он сохранил бы свою когерентность и позволил бы наблюдать интерференцию. В прикладном аспекте такие характеристики будут использованы прежде всего при работе со стандартами частоты. Огромное значение это будет иметь для сверхточной спектроскопии и целого ряда связанных с этим применений. Кроме того, возникают совершенно новые возможности при передаче частот. Это может быть сверхстабильная синхронизация приемника-передатчика, особенно при больших потоках информации, без применения синхронизирующих импульсов. Или, например, настройки для считывания сигналов ускорителя частиц с очень высоким синхронным временным разрешением.
Сверхохлажденные атомы с точки зрения информационной образуют так называемые кубиты, объекты, которые одновременно могут находиться в суперпозиции многих состояний. Это позволяет создать квантовые компьютеры, практические работы над которыми ведутся сейчас во всем мире. Такие компьютеры дают немного выигрыша для задач, с которыми хорошо справляются обычные компьютеры, например, для задач, связанных с перемножением и делением чисел. Однако в задачах, связанных с выборкой информации, оптимизацией, обработкой больших объемов данных квантовый компьютер должен дать настоящий прорыв в скорости решения.
Выводы. Методы лазерного охлаждения позволяют получить рекордно низкие температуры атомов вещества. Такое вещество может иметь целый ряд научных и технических применений, в том числе перспективных. Установки для лазерного охлаждения состоят из высокотехнологичных и наукоемких компонентов, однако просты в управлении и позволяют свое использование в учебном процессе.
Вступите в группу, и вы сможете просматривать изображения в полном размере