pułapki jonowe: siły Kulomba łodzenie i pułapkowanie neutralnych atomów pułapki Penninga, Paula pojedyncze jony mogą być pułapkowane i oglądane

Transkrypt

1 Streszczenie W13 pułapki jonowe: siły Kulomba 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 369 nm 467 nm łodzenie 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)

2 N 10 6 at. Rb 85, T 100 K Pomiar T 0,0001 K atom 30 cm/sek 0 czas przelotu

3 Ograniczenia? A) temperatury chłodzenie - p = Nħk L średnia prędkość = 0 absorpcja - em. spontaniczna grzanie dyfuzja pędu dyspersja prędkości 0 k B T D =D/k=ħ /2 granica Dopplera (Na: 240 K, Rb: 140 K) B) gęstości atomów uwięzienie promieniowania k abs k em max = at/cm 3

4 Siły dipolowe (reaktywne nie chłodzą!) F d rg )( ( k )v 22 2 ( k /)v 1)( rg 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

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

6 ie można osiągnąć Zera Absolutnego! III zasada termodynamiki możemy się tylko zbliżać: 300 K 30 cm 100 K 10 cm 1 K 1 mm

7 Obserwacja diagnostyka: kondensacja Bosego Einsteina 50 nk E. Cornell & C. Wieman (JILA) Rb nk 200 nk Rb 87 R. Hulet (Rice) Li 7 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

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

9 Kondensacja 1 o rozkład populacji dla bozonów: 1 () exp ( )1 f normalizacja liczby cząstek: = energia, = pot. chem., = 1/k B T N f( ) )( ( = gęstość stanów energ.) NN f( d 0 ) 0 poniżej temp. krytycznej: całka << N, większość cząstek w stanie podst. Ketterle, PRL 77, 416 (1996)

10 Kondensacja 2 o fale materii: gęstość n, śr. odl. cząstek: n -1/3 db 2 2 mk B T 3/1 degeneracja kwantowa, gdy ( T) n 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 - efekt wysoko-temperaturowy : T k B

11 BEC w atomach alkalicznych dostępność doświadczalna (chłodzenie, obserwacja) słabe oddziaływania między atomami ~10-6 cm zasięg oddz. ~10 4 cm odl. międzyatomowe - główne cechy: kondensacja w przechłodzonym gazie 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]

12 Doświadczenia z BEC: Optyka fal materii ( db =h/mv) Optyka Atomów spójne fale interferencja laser atomowy NIST MPQ MIT

13 Optyka nieliniowa nieliniowe mieszanie fal: a) świetlnych (nieliniowość ośrodka mat.) k in = k out in = out b) fal materii (zawsze nieliniowe) BEC 1999 NIST (W. Phillips) & Marek Trippenbach (UW)

14 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)

15 Fizyka ultra-rzadkiej materii skondesowanej : * sieci optyczne: 1D 3D * Nadciekłość Wiry:

16 Fizyka ultra-rzadkiej materii skondesowanej : * Oscylacje Josephsona V2 V1 BEC Thermal cloud [LENS Florencja]

17 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]

18 micro BEC (Garching & Tubingen) Rb atomów czas ładowania 8 s czas chłodzenia 2,1 s prąd 2A

19 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)

20 Tematy pytań 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.