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蒸発冷却は、光冷却技術だけでは通常到達できない高い位相空間密度を実現するための原子物理学的技術である。 [ 1 ]
光トラップまたは磁気トラップに捕捉された原子は、主に2つのメカニズムによって蒸発冷却されます。これらのメカニズムは通常、トラップの種類によって異なります。磁気トラップでは、高周波（RF）場を用いて、トラップ状態と非トラップ状態のスピン状態間の遷移を誘起することで、高温の原子を選択的にトラップから追い出します。光トラップでは、トラップ自体の深さを徐々に減少させることで、トラップ内の最もエネルギーの高い原子が光バリアの端を越えて脱出できるようにします。トラップ内の原子の速度がマクスウェル・ボルツマン分布に従う場合、トラップから脱出する（追い出される）原子は、分布の最高速度側に位置するため、その運動エネルギー（したがって温度）はトラップ内の平均よりもはるかに高くなります。結果として、トラップ内の原子の総数は減少しますが、残りの原子の平均エネルギーも減少します。原子雲の平均運動エネルギーの減少は、トラップ温度の漸進的な低下につながり、トラップを冷却します。
このプロセスは、コーヒーカップに息を吹きかけて冷ますのと似ています。コーヒーのエネルギー分布の中で最も高い位置にある分子が表面上に蒸気を形成し、それを吹き飛ばすことで系から除去されます。これにより、残りのコーヒー分子の平均エネルギー、ひいては温度が低下します。
磁気光学トラップ（MOT）内の原子を蒸発冷却する最も一般的な方法は、高周波（RF）誘起蒸発冷却です。|F= 0⟩ → |F=1⟩遷移でレーザー冷却されたトラップ原子を考えます。|F=1⟩状態（|m F = -1,0,1⟩）の磁気副準位は、外部磁場がゼロの場合縮退しています。トラップの中心ではゼロ、それ以外の場所ではゼロでない閉じ込め磁気四重極場は、トラップ中心から離れた原子にゼーマンシフトを引き起こし、3つの磁気副準位の縮退を解消します。トラップされた原子の全スピン角運動量と外部磁場との間の相互作用エネルギーは、スピン角運動量のz軸への射影に依存し、この関係から、|m F =-1 ⟩磁気副準位のみが磁場との正の相互作用エネルギーを持つことがわかります。つまり、この状態の原子のエネルギーはトラップ中心から離れるにつれて増加し、トラップ中心は最小エネルギー点となり、これがトラップの定義です。逆に、|m F =0 ⟩状態のエネルギーは磁場によって変化せず（トラップなし）、|m F =1 ⟩状態はトラップ中心から離れるにつれて実際にエネルギーが減少し、中心は最大エネルギー点となります。このため、|m F =-1 ⟩はトラップ状態、|m F =0,1 ⟩は非トラップ状態と呼ばれます。磁場相互作用エネルギーの式から、|m F =1,-1 ⟩状態のエネルギーが逆方向にシフトし、これら 2 つの状態間の全エネルギー差が変化することもわかります。したがって、 |m F =-1 ⟩ → |m F =1 ⟩遷移周波数はゼーマンシフトを受けます。この点を考慮すると、RF蒸発冷却方式は次のように機能します。-1 → +1 遷移のゼーマンシフトの大きさは、トラップ中心から半径方向に外側に向かって増加する磁場の強さに依存します。最も冷たい原子はトラップ中心の周りの小さな領域内を移動し、そこでは -1 → +1 遷移周波数のゼーマンシフトは小さくなります。しかし、暖かい原子はトラップの中心からずっと遠い領域に時間を費やし、そこでは磁場が強くなり、ゼーマンシフトが大きくなります。典型的な MOT で使用されるスケールでの磁場によって誘起されるシフトはMHzオーダーであるため、無線周波数源を使用して -1 → +1 遷移を駆動できます。 RF源の周波数の選択は、原子がRF源の周波数に等しいゼーマンシフトを受けるトラップポテンシャル曲線上の点に対応し、それによって原子は反トラップ|m F =1 ⟩へと移動します。磁気副準位に達し、すぐにトラップから脱出します。したがって、RF周波数を下げることは、図中の破線を下げることと同等であり、実質的にポテンシャル井戸の深さを減少させます。このため、これらの高エネルギー原子を除去するために使用されるRF源は、トラップポテンシャルの高さを効果的に下げてトラップから最も高エネルギーの原子を除去し、トラップのエネルギー分布の高エネルギーテールを「切り取る」ことから、「RFナイフ」と呼ばれることがよくあります。この方法は、ルビジウム原子の雲を凝縮臨界温度以下に冷却して、実験的に初めて観測されたボーズ・アインシュタイン凝縮体（BEC）を形成するために使用されたことで有名です[ 2 ] 。
ボーズ・アインシュタイン凝縮の最初の観測は、RF駆動蒸発冷却を用いた磁気原子トラップで行われたが、現在では光双極子トラップが凝縮を実現するためのより一般的なプラットフォームとなっている。MOTでは、まず低温にトラップされた原子を、高出力で強く集束された非共鳴レーザービームの焦点に移動させる。焦点におけるレーザーの電場は、原子に双極子モーメントを誘起するのに十分な強さであり、原子はレーザー焦点における電場の最大値に引き寄せられ、ビーム焦点に原子を保持するトラップ電位が効果的に生成される。
光双極子トラップ（ODT）における光トラップポテンシャルの深さは、トラップレーザー光の強度に比例します。したがって、トラップレーザービームのパワーを低下させると、トラップポテンシャルの深さが低下します。RF駆動蒸発の場合、原子を閉じ込めるポテンシャル障壁の実際の高さは蒸発シーケンス中に固定されますが、前述のように、RFナイフはこの障壁の深さを効果的に低下させます。しかし、光トラップの場合、蒸発はレーザーパワーを低下させることで促進され、トラップポテンシャルの深さが低下します。その結果、トラップ内の最も温度の高い原子は、障壁の壁を越えてトラップから脱出するのに十分な運動エネルギーを持ち、前述のように残りの原子の平均エネルギーが低下します。ODTのトラップ深さは浅い（温度でmKオーダー）ですが、この光蒸発手順の単純さにより、磁気BEC生成直後の最初の実証以来、BEC実験でますます人気が高まっています。[ 3 ]
