Dźwig budowlany a szybki transport zimnych atomów

Transkrypt

1 Dźwig budowlany a szybki transport zimnych atomów Tomasz Kawalec 5 listopada 2007 ENS, Laboratoire Kastler Brossel l Université Pierre et Marie Curie Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

2 Spis treści Droga do lasera atomowego Droga do lasera atomowego Grupa Cel i osiągnięcia W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) Analogia optyczna Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

17 Grupa Cel i osiągnięcia Ecole Normale Supérieure Laboratoire Kastler Brossel grupa wiązek atomowych Gaël Reinaudi TK David Guéry-Odelin Antoine Couvert Poprzednio: Jean Dalibard Zhaoying Wang Thierry Lahaye Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

18 Grupa Cel i osiągnięcia Ecole Normale Supérieure Laboratoire Kastler Brossel grupa wiązek atomowych Gaël Reinaudi TK David Guéry-Odelin Antoine Couvert Poprzednio: Jean Dalibard Zhaoying Wang Thierry Lahaye jesień 2008: przeprowadzka Paryż Tuluza możliwa wymiana studentów Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

19 Grupa Cel i osiągnięcia Ecole Normale Supérieure Laboratoire Kastler Brossel grupa wiązek atomowych Gaël Reinaudi TK David Guéry-Odelin Antoine Couvert Poprzednio: Jean Dalibard Zhaoying Wang Thierry Lahaye jesień 2008: przeprowadzka Paryż Tuluza możliwa wymiana studentów Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

20 Grupa Cel i osiągnięcia cel: konstrukcja lasera atomowego o działaniu ciągłym Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

21 Grupa Cel i osiągnięcia cel: konstrukcja lasera atomowego o działaniu ciągłym dotychczasowe realizacje laserów atomowych: uwalnianie atomów z pułapki magnetycznej (W. Ketterle, T. Esslinger, W.D. Phillips, A. Aspect, J.D. Close), optycznej (M. Weitz) lub hybrydowej (A. Aspect) Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

22 Grupa Cel i osiągnięcia cel: konstrukcja lasera atomowego o działaniu ciągłym dotychczasowe realizacje laserów atomowych: uwalnianie atomów z pułapki magnetycznej (W. Ketterle, T. Esslinger, W.D. Phillips, A. Aspect, J.D. Close), optycznej (M. Weitz) lub hybrydowej (A. Aspect) alternatywna droga: chłodzenie atomów w wiązce Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

23 Grupa Cel i osiągnięcia cel: konstrukcja lasera atomowego o działaniu ciągłym dotychczasowe realizacje laserów atomowych: uwalnianie atomów z pułapki magnetycznej (W. Ketterle, T. Esslinger, W.D. Phillips, A. Aspect, J.D. Close), optycznej (M. Weitz) lub hybrydowej (A. Aspect) alternatywna droga: chłodzenie atomów w wiązce zalety: duże natężenie wiązki atomów laser o pracy naprawdę ciągłej Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

24 Grupa Cel i osiągnięcia cel: konstrukcja lasera atomowego o działaniu ciągłym dotychczasowe realizacje laserów atomowych: uwalnianie atomów z pułapki magnetycznej (W. Ketterle, T. Esslinger, W.D. Phillips, A. Aspect, J.D. Close), optycznej (M. Weitz) lub hybrydowej (A. Aspect) alternatywna droga: chłodzenie atomów w wiązce zalety: duże natężenie wiązki atomów laser o pracy naprawdę ciągłej problemy: chłodzenie przez odparowanie w 2D mało efektywne krótki czas dostępny na odparowanie układ eksperymentalny trudny do realizacji Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

25 Grupa Cel i osiągnięcia 2D MOT N MOT = at. B/ x 1 kgs/cm I guide 400 A γ col = 5 s 1 φ fin = at/s ρ fin = = 10 ρ ini T fin = T ini/4 Phys. Rev. A. 72, (2005) Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

26 Grupa Cel i osiągnięcia ciąg pułapek IP odparowanie 3D B depth = 50 Gs v conv 100 cm/s Phys. Rev. A 74, (2006) Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

27 Grupa Cel i osiągnięcia ciąg pułapek IP odparowanie 3D B depth = 50 Gs v conv 100 cm/s Phys. Rev. A 74, (2006) lustro magnetyczne B bar = 160 Gs E fin /E ini = 5% v m = cm/s Eur. Phys. J. D 40, 405 (2006) Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

28 W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) umożliwia: dostarczanie atomów do obszarów wolnych od wiązek laserowych i cewek pułapek MOT ułatwienie badania oddziaływań z powierzchnią ciał stałych ładowanie atomów do siatek optycznych kontrolowanie pozycji atomów we wnękach optycznych przemieszczanie atomów pomiędzy różnymi częściami układu eksperymentalnego konstrukcję układu do ciągłej produkcji kondensatu BE Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

29 W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) umożliwia: dostarczanie atomów do obszarów wolnych od wiązek laserowych i cewek pułapek MOT ułatwienie badania oddziaływań z powierzchnią ciał stałych ładowanie atomów do siatek optycznych kontrolowanie pozycji atomów we wnękach optycznych przemieszczanie atomów pomiędzy różnymi częściami układu eksperymentalnego konstrukcję układu do ciągłej produkcji kondensatu BE Zagadnienia optymalnego transportu dotyczą m.in.: zagadnień inżynierskich kontroli położenia jonów do obliczeń kwantowych eksperymentów z dziedziny zimnych atomów Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

30 W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) nieruchome cewki ze zmiennymi prądami Esslinger (2001) pęseta optyczna Ketterle (2002) mechanicznie przesuwane cewki Cornell (2003) mechanicznie przesuwane magnesy, pułapki IP Guéry-Odelin (2006) sieci optyczne Meschede (2001), Denschlag (2006) mikropułapki IP Hänsch (2001), Reichel (2005), Zimmerman (2005) Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

31 W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) nieruchome cewki ze zmiennymi prądami Esslinger (2001) pęseta optyczna Ketterle (2002) mechanicznie przesuwane cewki Cornell (2003) mechanicznie przesuwane magnesy, pułapki IP Guéry-Odelin (2006) sieci optyczne Meschede (2001), Denschlag (2006) mikropułapki IP Hänsch (2001), Reichel (2005), Zimmerman (2005) Science 296, 2193 (2002) Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

32 W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) wybór potencjału pułapkującego: harmoniczny praktyczna realizacja: dno potencjału dipolowego pęsety optycznej w U(x, y, z) = U +y 2 )/w 2 (z) 0 w 2 (z) e 2(x w 2 (z) = w0(1 2 + z2 ), z zr 2 R = πw0/λ 2 Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

33 W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) wybór potencjału pułapkującego: harmoniczny praktyczna realizacja: dno potencjału dipolowego pęsety optycznej w U(x, y, z) = U +y 2 )/w 2 (z) 0 w 2 (z) e 2(x w 2 (z) = w0(1 2 + z2 ), z zr 2 R = πw0/λ 2 y, z = 0 1 x, y = 0 1 U/Uo x/w U/Uo z/z R Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

34 W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

35 W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) siła: F = m z c(t) rozmiar pakietu: z kryterium adiabatyczności: A z max t( z c(t)) ω 2 0 z Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

36 W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) synchronizacja transportu z okresem drgań atomów w pułapce siła: F = m z c(t) rozmiar pakietu: z kryterium adiabatyczności: A z max t( z c(t)) ω 2 0 z Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

37 W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) synchronizacja transportu z okresem drgań atomów w pułapce siła: F = m z c(t) rozmiar pakietu: z kryterium adiabatyczności: A z max t( z c(t)) ω 2 0 z Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

38 W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) synchronizacja transportu z okresem drgań atomów w pułapce siła: F = m z c(t) rozmiar pakietu: z kryterium adiabatyczności: A z max t( z c(t)) ω 2 0 z działanie ręczne operator działanie automatyczne ze sprzężeniem działanie automatyczne system otwarty Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

39 Analogia optyczna A(T, ω 0) = F[ż c](ω 0), F[f] = + f(t)e iωt dt 1 A(2τ, ω 0) = = d sinc 2 (ω 0τ/2) A/d 0 π 2π 3π 4π ω oτ Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

40 Analogia optyczna A(T, ω 0) = F[ż c](ω 0), F[f] = + f(t)e iωt dt 1 A(2τ, ω 0) = = d sinc 2 (ω 0τ/2) A/d 0 π 2π 3π 4π ω oτ 2 A(4τ, ω 0) = = 2d sinc 2 (ω 0τ/2) sin(ω 0τ) A/d 1 0 π 2π 3π 4π ω oτ Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

41 Analogia optyczna eksperyment Young a dyfrakcja interferencja 2 A(4τ, ω 0) = = 2d sinc 2 (ω 0τ/2) cos(ω 0τ) A/d 1 0 π 2π 3π 4π ω oτ Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

42 Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

44 IPG LASER, YLR-300-LP λ = 1072 nm FWHM = 4 nm P max = 300 W Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

45 Problemy techniczne: bezpieczeństwo niestabilność mocy wyjściowej w zakresie Hz i khz halo wokół wiązki problemy ze stabilizacją natężenia niestabilność położenia wiązki uszkodzenia elementów optycznych (kurz!) Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

46 Problemy techniczne: bezpieczeństwo niestabilność mocy wyjściowej w zakresie Hz i khz halo wokół wiązki problemy ze stabilizacją natężenia niestabilność położenia wiązki uszkodzenia elementów optycznych (kurz!) Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

48 P RF 30 W η I = 86 % P I = 150 W f AOM = 40 MHz Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

49 Newport XMS100 z silnikiem liniowym powtarzalność: < 500 nm P RF 30 W η I = 86 % P I = 150 W f AOM = 40 MHz Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

50 2D MOT dla 87 Rb spowalniacz zeemanowski szybkość ładowania: at/s Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

51 lokalnie ciemny MOT czas ładowania: s pompowanie optyczne do F = 1 Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

52 pułapka dipolowa w 0 = 50 µm, z R = 7 mm po 50 ms: N at = at., ρ = at/cm 3 U depth = 3 mk dla 80 W η U depth /k BT U depth P, T P 1/2 η P 1/2 po kompresji: P 40 W schemat 1: η = 13 schemat 2: η = 50 Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

53 standardowe obrazowanie absorpcyjne pomiary TOF (do 30 ms) Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

54 BEC t tot = 5 s t evap = 3 s w 0II = 200 µm Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

55 BEC t tot = 5 s t evap = 3 s w 0II = 200 µm Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

56 d = 4.5 cm r cloud 1 mm 4τ 4T 0 T i = 30 µk T f = 20 µk N i = 2N f = at. Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

57 d = 4.5 cm r cloud 1 mm 4τ 4T 0 T i = 30 µk T f = 20 µk N i = 2N f = at. schemat 2 4τ = 600 ms T 90 µk A 1 mm Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

58 demonstracja mechaniczna wahadło i kamera umieszczone na stoliku przesuwnym profil prędkości typu Λ-V Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

59 schemat 1 rozmiar chmury: z = 2.4 mm przed kompresją: T 0 = 27 µk po kompresji: T i = 160 µk grzanie chmury: T f = 1.1T i (ω 0τ 2π) N at = at. efektywność: 90% schemat 2 rozmiar chmury: z = 1.2 mm przed kompresją: T 0 = 3.7 µk po kompresji: T i = 43 µk grzanie chmury: T f = 1.75T i (ω 0τ 2π) N at = at. efektywność: 90% Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

60 minima dyfrakcyjne ω 0τ = 2pπ, p N τ = pt 0 Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

61 minima dyfrakcyjne τ T 0 τ T 0 Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

62 minima dyfrakcyjne τ T 0 τ T 0 Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

63 minima interferencyjne ω 0τ = (2p + 1)π, p N τ = (2p + 1)/2T 0 Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

64 schemat 1: A 0 dla ω 0τ = 3π schemat 2: A = 0 dla ω 0τ = 3π Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

65 schemat 1: A 0 dla ω 0τ = 3π schemat 2: A = 0 dla ω 0τ = 3π dla tłumienia 2mγż otrzymujemy (γτ 1): minima dyfrakcyjne : min(a) A 0γ 3 τ 3 /2 minima interferencyjne : min(a) 2 2A 0γτ Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24

66 schemat 1: A 0 dla ω 0τ = 3π schemat 2: A = 0 dla ω 0τ = 3π dla tłumienia 2mγż otrzymujemy (γτ 1): minima dyfrakcyjne : min(a) A 0γ 3 τ 3 /2 minima interferencyjne : min(a) 2 2A 0γτ podobne wnioski: dla profilu prędkości typu Λ-Λ A = 0 może zostać przywrócone nawet w obecności tłumienia, poprzez korekcję profilu prędkości można wyliczyć bardziej skomplikowane profile prędkości, prowadzące do bardzo płaskich minimów Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada / 24