Podsumowanie W10. Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 2004/05 1/21

Transkrypt

1 ćś Ŝ Ŝ ą ą ą Ŝ ćś ą ą Ŝ Ŝ Ŝ ą ś Podsumowanie W10 Obserwacja przej rezonansowych wymuszonych przez pole EM jest mo liwa tylko, gdy istnieje ró nica populacji. Tymczasem w zakresie fal radiowych poziomy s prawie jednakowo obsadzone. Wygodn metod wytwarzania nierównowagowych rozkładów populacji jest pompowanie optyczne (zasada zachowania kr tu w oddz. atom-pole). Pompowanie optyczne umo liwia wytwarzanie makroskopowej magnetyzacji gazów atomowych (cz steczkowych) oraz czuł detekcj przej rezonansowych (podwójny rezonans). Interferencja kwantowa stanów atomowych -) umo liwia pomiar struktur poz. energetycznych (dudnienia kwantowe, spektroskopia przecinania poziomów) oraz czasów ycia stanów atomowych (skrzy ownie poziomów w zerowym polu ef. Hanlego) -) jest podstaw metody Ramseya dla pomiarów spektroskopowych bez poszerzenia przez czas przelotu -) analogia do interferencji w klasycznej optyce falowej (do Younga, interferometr Macha-Zehndera) w. Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 1/1

2 Eliminacja poszerzenia dopplerowskiego: 1. Spektroskopia saturacyjna +k k κ N N 1 ω L υ ω ω L 0 = z k 0 kυ z =0= υ ω ω L 0 = z + k T 1/τ ω D ω 0 ω Laser Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 /1

3 Ŝ. Spektroskopia dwufotonowa Reguły wyboru dla jednofotonowych przejść E1 (El-dipol.) zmiana parzystości midzy stanami o tym samym l potrzeba n fotonów małe prawdopodobieństwo moŝliwe tylko dla silnych pól EM Parity (+) 1 (+) ω ω 1 E E 1 = (ω 1 + ω ) Ef. Dopplera + Zało enie ω 1 = ω = ω υ = (ω k υ) N (ω) = (ω + k υ) ω ω 1 N (ω) = (ω + k υ k υ) = ω ω 1 ω kompensacja ef. D. niezaleŝnie od υ! wszystkie atomy dają wkład nadrabiane małe prawdopodobieństwo N (ω) ω 1 ω Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 3/1

4 ś Wielkie eksperymenty, c.d. pomiar przes. Lamba 1S E = C l 4 α( Zα) mc 3 π n H β H α w do w. L.-R. pomiar wzgl dny: przesuni cie S wzgl. P Ly α w stanie 1S przesuni cie 8x wi ksze! ale brak poziomu referencyjnego Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 4/1

5 wzór Balmera duŝe regularności widm: E n = R n autokalibracja widm: ω Ly = 4ω H λ(ly α ) = 11,5 nm λ(h β ) = 486 nm 4 λ(ly α ) = λ(h β ) Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 5/1

6 Równoczesny pomiar widma H β i Ly α (przes. L. 1S) laser barwnikowy laser N 486 nm H S 11.5 P ampl skala cz st. x ω 43 nm 43 nm H Ly α H β S=8161±9 MHz Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 6/1

7 Pułapki jonowe i atomowe po co? Spowolnienie - eliminacja rozszerzeń: Dopplerowskiego, zderzeniowego i przez skończony czas oddział. Lokalizacja w określonym miejscu i warunkach moŝliwość bezpośr. adresowania i badania nawet pojedynczych atomów Pojedyncze/liczne atomy w jamie potencjału kwantyzacja ruchu, stan podstawowy, degeneracja kwantowa Pułapkowanie jonów: - siły kulombowskie Pułapka Penninga (1936) B ( 1T) _1-100 V + linie ekwipotencjalne Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 7/1

8 ruch jonów/elektronów w pułapce Penninga: e, m B z orbita cyklotronowa ω c =eb/mc orbita magnetronowa ω m =ce r /Br r ω = drgania osiowe ev 0 z m( ρ + z 0 0 ) ω z <<ω m <<ω c Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 8/1

9 Pułapka Paula obserwacja jonów: 1989 W. Paul (wspólnie z H. Dehmeltem i N. Ramseyem) pojedyncze jony odparowanie (7 1 szt): Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 9/1

10 Eksperymenty z pojedynczymi jonami obraz jonu jon Liniowa pułapka jonowa q. computing? Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 10/1

11 Przeskoki kwantowe 1989 H. Dehmelt Mech. Kwant. przewiduje eksponencjalną lub periodyczną zaleŝność P if (t), ale to dotyczy prawdopodobieństw. W konkretnej realizacji nieciągłe przeskoki kwantowe pojedynczy elektron w pułapce atom geonium Pomiar g- (QED) Obserwacja 1 atom (jon) z przejściem dozwolonym i wzbronionym ze stanu podst., wzbudzanymi jednocześnie dwiema wiązkami świetlnymi: 1 kwant niebieski steruje strumieniem fotonów fioletowych: I det czas Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 11/1

12 Eksperyment w National Phys. Lab. Teddington (U.K.) global atomic clock (Dehmelt) przy pomocy elektrycznego oktupolowego promieniowania (E3) Zderzenia pojedynczy jon Yb + w pułapce Paula 369 nm P 1/ τ s Yb nm D 5/ 467 nm S 1/ 467 nm F 7/ = lat Linie widmowe E3: 3 # skoków 171 Yb + 15 # skoków 17 Yb ν L 5 ν L MHz MHz Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 1/1

13 ś ś ś ś ą ć ś Ŝ ć Ŝ ą Spowalnianie i pułapkowanie atomów światłem siły optyczne: siła spontaniczna (siła ci siła dipolowa (reaktywna) klasyczne wci h r r G ( r ) F d = ( δ k v) r r ( δ k v) / γ G ( r ) δ δ < 0 nienia G ( r ) F rp = k γ r r ( δ k v ) / γ wiatła) F rp przekaz p G ( r ) δ = ω ω γ = 1τ h 0 du (ci G(r) = nienie wiatła) D E( r) hγ ganie dielektryka (ε>0, n>1) do pola el. (niejednorodnego) 1 warto siły rezonansowo zale y od δ (F d nierezonansowo) atom mo e mie n <> 1 siła F d <> 0 (wci ga lub wypycha) I( r) = I S F d F rp k 0 v z - δ /k Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 13/1

14 ś Jak chłodzi odzić atomy? Podstawy chłodzenia i pułapkowania atomów wiatłem laserowym 1997 S.Chu,C.Cohen-Tannoudji,W.Phillips CHŁODZENIE ATOMÓW W FOTONAMI (siły spontaniczne): wiązka lasera wiązka atomów atomy sodu: M=3, λ = 590 nm v = 600 m/s (@ 400 K) po zabsorbowaniu 1 fotonu: v R = k/m = 3 cm/s fotonów do I = 6 mw/cm czas zatrzymania: 1 ms p = Σ k abs - Σ k em = N k L 0 droga hamowania: 0,5 m przyspieszenie: 10 6 m/s Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 14/1

15 GAZ ATOMOWY? dwie przeciwbieŝne wiązki laserowe (ta sama czstość; ω L < ω 0 ) ω 0 ω L siła ω L ω 0 ω L Dla ω L < ω 0, efekt Dopplera dostraja atomy do rezonansu Gz = h k γ r przeciwbieŝnymi wiązkami r ( δ k v ) ( r ) F rp / γ G ( r ) Fotony pochłonite mają energi mniejszą niŝ reemitowane opóźniająca siła (chłodzenie) Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 15/1

16 Wypadkowa siła: siła k k - δ /k 0 δ/k v z Dla małych prdkości: F -v lepkość zerowa siła a dla v=0 OPTYCZNA MELASA chłodzenie Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 16/1

17 Jak pułapkować zimne atomy? σ - B(x) σ + m=+1 m=0 ω L m= 1 x=0 x siła a zaleŝna od połoŝenia: F(x) -x pułapka atomowa Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 17/1

18 ? 1-D 3-D I I Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 18/1

19 N 10 6 at. Rb 85, T 100 µk Pomiar T 0,0001 K υ atom atom 30 cm/sek 0 czas przelotu Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 19/1

20 Ograniczenia a? A) temperatury chłodzenie - p = N k L średnia prdkość = 0 absorpcja - em. spont. grzanie dyfuzja pdu dyspersja prdkości 0 k B T B D =D/k= D B) gstości atomów Γ/ granica Dopplera Γ/ (Na: 40 µk, Rb: 140 µk) uwizienie promieniowania k abs k em ρ max = at/cm 3 Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 0/1

21 ś Siły dipolowe (reaktywne nie chłodzą!) h r r G ( r ) F d = ( δ k v) r r ( δ k v) / γ G ( r ) pole E polaryzacja o rodka: D ind = α E oddz. D E = - αe I(r) α <> 0 adresowanie q-bitów? I(r) I(r) 0 U(r) r α > 0 U(r) r α < 0 k B T 0 Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 004/05 1/1