zastosowanie w komputerach kwantowych? przeskoki kwantowe (obserw. na żywo emisji/abs. pojed. fotonów w pojed. atomach)

Transkrypt

1 Streszczenie W13 pułapki jonowe: siły Coulomba pułapki Penninga, Paula pojedyncze jony mogą być pułapkowane i oglądane kontrolowanie pojedynczych atomów I zastosowanie w komputerach kwantowych? przeskoki kwantowe (obserw. na żywo emisji/abs. pojed. fotonów w pojed. atomach) czas chłodzenie i pułapkowanie neutralnych atomów siły optyczne: a) spontaniczne ciśnienie światła (rozpraszają en. chłodzą) b) dipolowe (reaktywne nie chłodzą ale pułapkują) spont. siły wspomagane przez niejednorodne pole magnetyczne Pułapka Magnetooptyczna (MOT) JZ, Podstawy Fizyki Atomowej, na podst. W. Gawlika wykład 14 1/21

2 N 10 6 at. Rb 85, T 100 K Pomiar T 0,0001 K atom 30 cm/sek 0 czas przelotu JZ, Podstawy Fizyki Atomowej, na podst. W. Gawlika wykład 14 2/21

3 Ograniczenia? A) temperatury chłodzenie - p = Nħ k L średnia prędkość = 0 absorpcja - em. spontaniczna grzanie dyfuzja pędu dyspersja prędkości 0 k B T D =D/k=ħ/2 B) gęstości atomów uwięzienie promieniowania granica Dopplera (Na: 240 K, Rb: 140 K) k abs k em max = at/cm 3 JZ, Podstawy Fizyki Atomowej, na podst. W. Gawlika wykład 14 3/21

4 Siły dipolowe (reaktywne nie chłodzą!) F d G( r) ( k v) ( k v) / 1 G( r) pole E polaryzacja ośrodka: D ind = E oddz. D E = - E 2 I(r) > < 0 adresowanie q-bitów? I(r) I(r) 0 U(r) r > 0 U(r) r < 0 k B T 0 JZ, Podstawy Fizyki Atomowej, na podst. W. Gawlika wykład 14 4/21

5 Jeszcze niższe temperatury niż w MOT? emisja spont. ~ K limit ciemne pułapki bez światła optyczne U=-D E magnetyczne U=- B siły dipolowe nie chłodzą! odparowanie 300 K 100 K 100 nk MOT MT JZ, Podstawy Fizyki Atomowej, na podst. W. Gawlika wykład 14 5/21

6 Nie można osiągnąć Zera Absolutnego! III zasada termodynamiki możemy się tylko zbliżać: 300 K 30 cm 100 K 10 cm 1 K 1 mm JZ, Podstawy Fizyki Atomowej, na podst. W. Gawlika wykład 14 6/21

7 Obserwacja diagnostyka: 2 marca 2007 kondensacja Bosego Einsteina 200 nk 50 nk E. Cornell & C. Wieman (JILA) Rb 87 R. Hulet (Rice) Li nk 500 nk Rb 250 nk 87 <70 nk W. Ketterle (MIT) Na 23 kondensat Bosego-Einsteina ( ) bozony (F=0, 1, 2,...) Charakterystyki kondensatu: wąskie maksimum w rozkładzie prędkości ampl. maksimum gdy T kształt chmury odtwarza kształt studni potencjału Nobel 2001 JZ, Podstawy Fizyki Atomowej, na podst. W. Gawlika wykład 14 7/21

8 Kondensat B-E - początki 1924 Satyendranath Bose wyprowadził prawo Plancka z zasad fiz. statystycznej 1925 Albert Einstein uogólnił do cząstek z masą, przejście fazowe w niskich temp. Kondensacja Bosego-Einsteina (BEC) From a certain temperature on, the molecules condense without attractive forces, that is, they accumulate at zero velocity. The theory is pretty but is there also some truth to it? A. Einstein JZ, Podstawy Fizyki Atomowej, na podst. W. Gawlika wykład 14 8/21

9 Kondensacja 1 o rozkład populacji dla bozonów: f ( ) 1 exp b ( ) 1 normalizacja liczby cząstek: N N 0 f ) 0 ( ) ( d = energia, = potencjał chem., b = 1/k B T N f () (() = gęstość stanów energ.) poniżej temp. krytycznej: całka << N, większość cząstek w stanie podst. Ketterle, PRL 77, 416 (1996) JZ, Podstawy Fizyki Atomowej, na podst. W. Gawlika wykład 14 9/21

10 Kondensacja 2 o fale materii: gęstość n, śr. odl. cząstek: n -1/3 db 2 2 mk B T 1/3 degeneracja kwantowa, gdy n ( T) db Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie (Nobel 1929) Rzędy wielkości: gaz 900K, n cm -3, n -1/ m, db m db << n -1/ atomów w typowej pułapce: T c ~ 100 nk db n -1/3 cały atom bozon lub fermion (całkowity kręt! np. F) atomy w pułapce: - poziomy energetyczne skwantowane JZ, Podstawy Fizyki Atomowej, na podst. W. Gawlika wykład 14 10/21

11 BEC w atomach alkalicznych dostępność doświadczalna (chłodzenie, obserwacja) słabe oddziaływania między atomami ~10-6 cm zasięg oddz. ~10 4 cm odl. międzyatomowe kondensacja w przechłodzonym gazie - główne cechy: Ciekły hel kontra gazowy BEC: Hel 4 atomy alkaliczne met. chłodzenia parowanie odparowanie rf liczba atomów wielkość próbki [nm] temperatura [K] 0,37 0, db [Å] gęstość [cm -3 ] 2, śr. odległość [nm] 0, en. oddziaływania [K] JZ, Podstawy Fizyki Atomowej, na podst. W. Gawlika wykład 14 11/21

12 Doświadczenia z BEC: Optyka fal materii ( db =h/mv) Optyka Atomów spójne fale interferencja laser atomowy NIST MPQ MIT JZ, Podstawy Fizyki Atomowej, na podst. W. Gawlika wykład 14 12/21

13 Zimne fermiony (F=1/2, 3/2, 5/2,...) nie termalizują (zakaz Pauliego) chłodzenie pośrednie boson/fermion, fermion/fermion 1999 D. Jin (JILA) K R. Hulet (Rice) JZ, Podstawy Fizyki Atomowej, na podst. W. Gawlika wykład 14 13/21

14 Fizyka ultra-rzadkiej materii skondesowanej : * sieci optyczne: 1D 3D * Nadciekłość Wiry: JZ, Podstawy Fizyki Atomowej, na podst. W. Gawlika wykład 14 14/21

15 Fizyka ultra-rzadkiej materii skondesowanej : * Przejście fazowe Motta - atomy uwolnione z sieci interferują, gdy spójne - spójność f. falowej kondensatów w różnych węzłach nadprzewodnictwo - spójność niszczy zwiększenie bariery potencjału - proces odwracalny: nadprzewodnik-izolator- nadprzewodnik [MPQ Garching] JZ, Podstawy Fizyki Atomowej, na podst. W. Gawlika wykład 14 15/21

16 micro BEC (Garching & Tubingen) Rb atomów czas ładowania 8 s czas chłodzenia 2,1 s prąd 2A JZ, Podstawy Fizyki Atomowej, na podst. W. Gawlika wykład 14 16/21

17 Całkowicie optyczny kondensat May 2001, M. Chapman (GeorgiaTech) Optyczna pułapka dipolowa U= -D E (światło nierezonansowe, aby uniknąć em. spont.) różne stany magnetyczne (dośw. Sterna-Gerlacha) JZ, Podstawy Fizyki Atomowej, na podst. W. Gawlika wykład 14 17/21

18 Kondensat spinorowy Bz Włączamy dodatkowe pole magnet. (mieszanie stanów) Bx g By Swobodne spadanie atomów po wył. pułapki B g Włącz. niejednorodne pole magnet. (ef. S-G) natężenie pola mieszającego m f = 2 g m f = 1 m f = 0 m f = 1 m f = 2 JZ, Podstawy Fizyki Atomowej, na podst. W. Gawlika wykład 14 18/21

19 Zagadnienia na egzamin 1.Model Bohra, liczby kwantowe. 2.Stabilność orbit atomowych a relacja nieoznaczoności. 3.Defekt kwantowy, poziomy energetyczne atomów wieloelektronowych. 4.Przybliżenie pola centralnego. 5.Kolejność zapełniania powłok elektronowych, układ okresowy pierwiastków. 6.Efekty wymiany, poziomy energetyczne atomu helu. 7.Struktura subtelna, oddziaływanie spin-orbita, sprzężenie L-S i j-j. 8.Podstawy modelu wektorowego, zastosowanie do ef. Zeemana, czynnik Landego 9.Poprawki relatywistyczne do energii poziomów atomowych. 10.Magnetyzm atomowy, efekty Zeemana i Paschena-Backa, pola pośrednie. 11.Struktura nadsubtelna, efekt izotopowy, ef. Backa-Goudsmita. 12.Atom w polu elektrycznym. 13.Struktura poziomów energetycznych i widma cząsteczek. 14.Przybliżenie dipolowe, reguły wyboru. 15.Stany niestacjonarne, rezonans optyczny, polaryzacja w ef. Zeemana. 16.Doświadczenie Francka-Hertza (jak i po co?). 17.Doświadczenie Sterna-Gerlacha (jak i po co?). 18.Doświadczenie Lamba-Retherforda (jak i po co?). 19.Ograniczenia dokładności pomiarów spektroskopowych i sposoby ich eliminacji. 20.Pompowanie optyczne (podstawy i zastosowania). 21.Efekty interferencji stanów atomowych (przecięcia poziomów energet., dudnienia kwantowe, prążki Ramseya). 22.Spektroskopia laserowa, nasycenie i selekcja prędkości i ich zastosowania do eliminacji rozszerzenia dopplerowskiego. 23.Pomiar przesunięcia Lamba stanu 1S (dlaczego i jak?) 24.Pułapki jonowe (jak i po co?). 25.Przeskoki kwantowe i ich obserwacja. 26.Siły optyczne, chłodzenie i pułapkowanie neutralnych atomów. 27.Atomy bozonowe i fermionowe w ultra niskich temperaturach. JZ, Podstawy Fizyki Atomowej, na podst. W. Gawlika wykład 14 19/21