Najzimniejsze atomy. Tadeusz Domański. Instytut Fizyki, Uniwersytet M. Curie-Skłodowskiej w Lublinie.

Transkrypt

1 Odolanów, 10 lipca 2008 r. Najzimniejsze atomy Tadeusz Domański Instytut Fizyki, Uniwersytet M. Curie-Skłodowskiej w Lublinie

2 Referat be dzie dotyczyć : kondensacji i nadciekłości ultrazimnych atomów T c 100 nk [1] M.W. Zwierlein et al, Phys. Rev. Lett. 92, (2004). [2] C.A. Regal et al, Phys. Rev. Lett. 92, (2004). [3] J. Kinast et al, Phys. Rev. Lett. 92, (2004). [4] C. Chin et al, Science 305, 1128 (2004).

3 W ostatnich latach udało sie wytworzyć laboratoryjnie kondensaty BE atomów spułapkowanych i ochłodzonych do ultraniskich temperatur, rze du 100 nk (czyli 10 7 K). Schemat: wychwyt N atomów z gazu o temp. pokojowej, przeniesienie chmury do pułapki magnetooptycznej, chłodzenie metoda doplerowska (N 10 9, T 100 µk), dalsze chłodzenie przez parowanie (N 10 7, T 100 nk).

4 Proces chłodzenia 1) Pułapka magnetooptyczna Za pomoca promieni laserowych atomy sa ochładzane poprzez metode dopplerowskiego spowalniania. Dolna granica uzyskiwanych taka metoda temperatur wynosi T 100 µk.

5 Proces chłodzenia (c.d.) 2) Pułapka magnetyczna Dalsze chłodzenie odbywa sie poprzez odparowanie atomów o dużej energii (ang. evaporative cooling.)

6 Proces chłodzenia (c.d.) 2) Pułapka magnetyczna Dalsze chłodzenie odbywa sie poprzez odparowanie atomów o dużej energii (ang. evaporative cooling.) f(p) poczatkowy rozklad pedu p

7 Proces chłodzenia (c.d.) 2) Pułapka magnetyczna Dalsze chłodzenie odbywa sie poprzez odparowanie atomów o dużej energii (ang. evaporative cooling.) f(p) usuniecie atomow z duzym pedem p

8 Proces chłodzenia (c.d.) 2) Pułapka magnetyczna Dalsze chłodzenie odbywa sie poprzez odparowanie atomów o dużej energii (ang. evaporative cooling.) f(p) termalizacja p

9 Kondensacja Bosego-Einsteina 87 Rb JILA 1995 (E. Cornell i wsp.) 23 Na MIT 1995 (W. Ketterle i wsp.) Sa to kondensaty atomów typu bozonowego.

10 Wiry Abrikosova Obecność wirów kwantowych świadczy o nadciekłości.

11 Klasyfikacja cza stek BOZONY P ij Ψ = + Ψ spin całkowity statystyka Bosego Einsteina FERMIONY P ij Ψ = Ψ spin połówkowy statystyka Fermiego Diraca

12 Dobór rodzaju atomów Możliwość kondensacji Bosego-Einsteina konkretnych atomów zależy od tego czy sa one bozonami czy fermionami.

13 Dobór rodzaju atomów Możliwość kondensacji Bosego-Einsteina konkretnych atomów zależy od tego czy sa one bozonami czy fermionami. O charakterze atomu decyduje sumaryczna ilość elektronów i nukleonów, czyli liczba Z+A.

14 Dobór rodzaju atomów Możliwość kondensacji Bosego-Einsteina konkretnych atomów zależy od tego czy sa one bozonami czy fermionami. O charakterze atomu decyduje sumaryczna ilość elektronów i nukleonów, czyli liczba Z+A. Przykład: Dla metali alkalicznych Z jest nieparzysta, zatem liczba A rodzaj atomu przykłady nieparzysta parzysta boson fermion 85 Rb, 7 Li, 23 Na 40 K, 6 Li

15 Przykładowe wartości liczbowe

16 Przykładowe wartości liczbowe W najlepszych laboratoriach udaje sie obecnie pułapkować nawet około 10 mln atomów.

17 Przykładowe wartości liczbowe W najlepszych laboratoriach udaje sie obecnie pułapkować nawet około 10 mln atomów. Typowe koncentracje atomów sa cm 3.

18 Przykładowe wartości liczbowe W najlepszych laboratoriach udaje sie obecnie pułapkować nawet około 10 mln atomów. Typowe koncentracje atomów sa cm 3. Temperatury Fermiego wynosza ok K.

19 Przykładowe wartości liczbowe W najlepszych laboratoriach udaje sie obecnie pułapkować nawet około 10 mln atomów. Typowe koncentracje atomów sa cm 3. Temperatury Fermiego wynosza ok K. Wartość temperatur krytycznych nk.

20 Przykładowe wartości liczbowe W najlepszych laboratoriach udaje sie obecnie pułapkować nawet około 10 mln atomów. Typowe koncentracje atomów sa cm 3. Temperatury Fermiego wynosza ok K. Wartość temperatur krytycznych nk. Czy to niskie czy wysokie temperatury?

21 Wzgle dna skala temperatur metaliczny lit pod ciśnieniem T c = 0.4 mk, T F = K, T c /T F = 10 8

22 Wzgle dna skala temperatur a) metaliczny lit pod ciśnieniem T c = 0.4 mk, T F = K, T c /T F = 10 8 klasyczne nadprzewodniki T c 1 10 K, T F = K, T c /T F = 10 4

23 Wzgle dna skala temperatur a) metaliczny lit pod ciśnieniem T c = 0.4 mk, T F = K, T c /T F = 10 8 b) klasyczne nadprzewodniki T c 1 10 K, T F = K, T c /T F = He T c = 2.6 mk, T F = 5 K, T c /T F =

24 Wzgle dna skala temperatur a) metaliczny lit pod ciśnieniem T c = 0.4 mk, T F = K, T c /T F = 10 8 b) klasyczne nadprzewodniki T c 1 10 K, T F = K, T c /T F = 10 4 c) 3 He T c = 2.6 mk, T F = 5 K, T c /T F = MgB 2 T c = 39 K, T F = 6000 K, T c /T F = 10 2

25 Wzgle dna skala temperatur a) metaliczny lit pod ciśnieniem T c = 0.4 mk, T F = K, T c /T F = 10 8 b) klasyczne nadprzewodniki T c 1 10 K, T F = K, T c /T F = 10 4 c) 3 He T c = 2.6 mk, T F = 5 K, T c /T F = d) MgB 2 T c = 39 K, T F = 6000 K, T c /T F = 10 2 nadprzew. wysokotemperaturowe T c = K, T F = 5000 K, T c /T F =

26 Wzgle dna skala temperatur a) metaliczny lit pod ciśnieniem T c = 0.4 mk, T F = K, T c /T F = 10 8 b) klasyczne nadprzewodniki T c 1 10 K, T F = K, T c /T F = 10 4 c) 3 He T c = 2.6 mk, T F = 5 K, T c /T F = d) MgB 2 T c = 39 K, T F = 6000 K, T c /T F = 10 2 e) nadprzew. wysokotemperaturowe T c = K, T F = 5000 K, T c /T F = ultrazimne atomy T c = 200 nk, T F = 1 µk, T c /T F = 0.2

27 Istotne problemy:

28 Istotne problemy: Rezonanse Feshbacha /doświadczalnie sterowane oddziaływania/

29 Istotne problemy: Rezonanse Feshbacha /doświadczalnie sterowane oddziaływania/ Przejście mie dzy BCS i BEC /praktyczna realizacja koncepcji Leggetta/

30 Istotne problemy: Rezonanse Feshbacha /doświadczalnie sterowane oddziaływania/ Przejście mie dzy BCS i BEC /praktyczna realizacja koncepcji Leggetta/ Identyfikacja przejścia fazowego /problem doświadczalnego określenia nadciekłości/

31 1. Rezonans Feshbacha

32 Herman Feshbach ÅÁÌ ÍË µ / /

33 Herman Feshbach ÅÁÌ ÍË µ / / Jeden z wioda cych teoretyków fizyki ja drowej XX wieku, który sformułował m.in. opis nieelastycznego rozpraszania neutronów na ja drach atomowych wprowadzaja c koncepcje kilkuetapowych reakcji. Formalizm ten jest obecnie powszechnie stosowany w fizyce ja drowej oraz w kontekście pułapkownia atomów.

34 Herman Feshbach ÅÁÌ ÍË µ / / Jeden z wioda cych teoretyków fizyki ja drowej XX wieku, który sformułował m.in. opis nieelastycznego rozpraszania neutronów na ja drach atomowych wprowadzaja c koncepcje kilkuetapowych reakcji. Formalizm ten jest obecnie powszechnie stosowany w fizyce ja drowej oraz w kontekście pułapkownia atomów. Jako "Feshbach professor" jest w MIT zatrudniony Frank Wilczek.

35 Schemat ogólny: Dwie cza stki /open channel/ przez pewien czas ła cza sie w stan zwia zany /closed channel /, po czym ponownie rozpadaja sie. Resonansowe rozpraszanie ma miejsce wówczas, gdy całkowita energia padaja cych cza stek jest równa energii stanu zwia zanego.

36 Rozważmy dwa atomy typu fermionowego: open channel

37 Rozważmy dwa atomy typu fermionowego: closed channel

38 Rozważmy dwa atomy typu fermionowego: open channel

39 Schemat warunków rezonansowego rozpraszania

40 Przykłady stosowanych atomów: 6 Li mieszanina stanów nadsubtelnych 1 2, 1 2 oraz 1 2, 1 2 współistnieja cych z bi-molekułami ( 6 Li) 2 40 K mieszanina stanów nadsubtelnych 9 2, 9 2 oraz and 9 2, 7 2 współistnieja cych z bi-molekułami ( 40 K) 2.

41 Efektywny potencjał rozpraszania w tym procesie może być resonansowy zależnie od zewne trznego pola magnetycznego. Ilustracja: Rezonans Feshbacha zaobserwowany doświadczalnie [6] dla mieszaniny atomów 40 K w dwóch stanów zeemanowskich 9 2, 9 2 oraz 9 2, 7 2. [6] C.A. Regal and D.S. Jin, Phys. Rev. Lett. 90, (2003).

42 2. Przejście z BEC do BCS

43 Zmieniaja c wartość pola magnetycznego można przeła czać pomie dzy jakościowo odmiennymi granicami: Takie przejście z BCS do BEC [10] i vice versa [11] zostało po raz pierwszy doświadczalnie zrealizowane w 2003 r. [10] K.E. Strecker et al, Phys. Rev. Lett. 91, (2003); M. Greiner et al, Nature 426, 537 (2003). [11] M. Bartenstein et al, Phys. Rev. Lett. 92, (2004).

44 Kondensat BE par atomów typu fermionowego w funkcji odległości pola magnetycznego od rezonansu Feshbacha B = B B 0. C.A. Regal et al, Phys. Rev. Lett. 92, (2004).

45 Problem cia głego przejścia od stanu BCS do BEC należy do fundamentalnych zagadnień fizyki teoretycznej: 1969: David Eagles /BEC par fermionowych dla ekstremalnych koncentracji/ 1980: Tony Legett / sformułowanie problemu dla T = 0 / 1985: Phillip Nozières & Stefan Smitt-Rink /uogólnienie formalizmu dla niezerowych temperatur/ 1993: Mohit Randeria et al /sformułowanie w jezyku całek po trajektoriach/ 1995: Roman Micnas et al /podejście macierzy T & symulacje Monte Carlo/... Teoretyczne prace być teraz poddane weryfikacji! moga

46 3. Nadciekłość atomów

47 Po czym można rozpoznać nadciekłość?

48 Po czym można rozpoznać nadciekłość? Sposoby tradycyjne:

49 Po czym można rozpoznać nadciekłość? Sposoby tradycyjne: 1) zanik lepkości (oporności),

50 Po czym można rozpoznać nadciekłość? Sposoby tradycyjne: 1) zanik lepkości (oporności), 2) charakterystyczne widmo energetyczne,

51 Po czym można rozpoznać nadciekłość? Sposoby tradycyjne: 1) zanik lepkości (oporności), 2) charakterystyczne widmo energetyczne, 3) sieć Abrikosova wirów kwantowych.

52 Po czym można rozpoznać nadciekłość? Sposoby tradycyjne: 1) zanik lepkości (oporności), 2) charakterystyczne widmo energetyczne, 3) sieć Abrikosova wirów kwantowych. Ograniczenia w przypadku atomów:

53 Po czym można rozpoznać nadciekłość? Sposoby tradycyjne: 1) zanik lepkości (oporności), 2) charakterystyczne widmo energetyczne, 3) sieć Abrikosova wirów kwantowych. Ograniczenia w przypadku atomów: 1-sposób: niemożliwy,

54 Po czym można rozpoznać nadciekłość? Sposoby tradycyjne: 1) zanik lepkości (oporności), 2) charakterystyczne widmo energetyczne, 3) sieć Abrikosova wirów kwantowych. Ograniczenia w przypadku atomów: 1-sposób: niemożliwy, 2-sposób: niejednoznaczny,

55 Po czym można rozpoznać nadciekłość? Sposoby tradycyjne: 1) zanik lepkości (oporności), 2) charakterystyczne widmo energetyczne, 3) sieć Abrikosova wirów kwantowych. Ograniczenia w przypadku atomów: 1-sposób: niemożliwy, 2-sposób: niejednoznaczny, 3-sposób: wykonywalny.

56 Innsbruck (Austria): 2004 r. Pomiar widma energetycznego wykonany przez spektroskopie RF dla atomów 6 Li wykazał istnienie przerwy energetycznej! C. Chin et al, Science 305, 1128 (2004).

57 MIT (USA): 2005 r. Sieć wirów Abrikosova dla par atomów typu fermionowego. M.W. Zwierlein et al, Nature 435, 1047 (2005).

58 MIT (USA): 2006 r. Obserwacja wirów Abrikosova w układzie o nierównej liczebności atomów 6 Li w stanach 1 2, 1 2 oraz 1 2, 1 2. M.W. Zwierlein, A. Schirotzek, C.H. Schnuck, W. Ketterle Science 311, 492 (2006).

59 Inne osia gnie cia

60 Inne osia gnie cia Nadciekłość w sieciach optycznych / J. Chin et al, Nature 443, 961 (2006) /

61 Inne osia gnie cia Nadciekłość w sieciach optycznych / J. Chin et al, Nature 443, 961 (2006) / Wyznaczenie pre dkości dźwie ku / J. Joseph et al, Phys. Rev. Lett. 98, (2007) /

62 Inne osia gnie cia Nadciekłość w sieciach optycznych / J. Chin et al, Nature 443, 961 (2006) / Wyznaczenie pre dkości dźwie ku / J. Joseph et al, Phys. Rev. Lett. 98, (2007) / Pomiar krytycznej pre dkości / D.E. Miller et al, Phys. Rev. Lett. 99, (2007) /

63 Inne osia gnie cia Nadciekłość w sieciach optycznych / J. Chin et al, Nature 443, 961 (2006) / Wyznaczenie pre dkości dźwie ku / J. Joseph et al, Phys. Rev. Lett. 98, (2007) / Pomiar krytycznej pre dkości / D.E. Miller et al, Phys. Rev. Lett. 99, (2007) / Uzyskanie i kondensacja cza stek typu p-wave / J.P. Gaebler et al, Phys. Rev. Lett. 98, (2007) /

64 Inne osia gnie cia Nadciekłość w sieciach optycznych / J. Chin et al, Nature 443, 961 (2006) / Wyznaczenie pre dkości dźwie ku / J. Joseph et al, Phys. Rev. Lett. 98, (2007) / Pomiar krytycznej pre dkości / D.E. Miller et al, Phys. Rev. Lett. 99, (2007) / Uzyskanie i kondensacja cza stek typu p-wave / J.P. Gaebler et al, Phys. Rev. Lett. 98, (2007) / c.d.n.