(obserw. na Ŝywo emisji/abs. pojed. fotonów w pojed. atomach) a) spontaniczne ciśnienie światła (rozpraszają en. chłodzą)

Transkrypt

1 Streszczenie W11 pułapki jonowe: siły Kulomba pułapki Penninga, Paula pojedyncze jony mogą być pułapkowane i oglądane kontrolowanie pojedynczych atomów I zastosowanie w komputerach kwantowych? przeskoki kwantowe czas (obserw. na Ŝywo emisji/abs. pojed. fotonów w pojed. atomach) 369 nm 467 nm 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) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 1/20

2 N 10 6 at. Rb 85, T 100 µk Pomiar T 0,0001 K υ atom atom 30 cm/sek 0 czas przelotu Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 2/20

3 Ograniczenia a? A) temperatury chłodzenie - p = Nħk L średnia prędkość = 0 absorpcja - em. spontaniczna grzanie dyfuzja pędu dyspersja prędkości 0 k B T B D =D/k=ħΓ/2 D granica Dopplera (Na: 240 µk, Rb: 140 µk) B) gęstości atomów uwięzienie promieniowania k abs k em ρ max = at/cm 3 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 3/20

4 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 ośrodka: D ind = α E oddz. D E = - αe 2 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 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 4/20

5 Jeszcze niŝsze temperatury niŝ w MOT? emisja spont. ~ µk K limit ciemne pułapki bez światła optyczne U=-D E siły dipolowe nie chłodzą! magnetyczne U=-µ B odparowanie 300 K 100 µk 100 nk MOT MT Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 5/20

6 Nie moŝna osiągn gnąć Zera Absolutnego! III zasada termodynamiki moŝemy się tylko zbliŝać: 300 µk 30 cm 100 µk 10 cm 1 µk 1 mm Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 6/20

7 Obserwacja diagnostyka: kondensacja Bosego Einsteina 400 nk 200 nk 50 nk Rb E. Cornell & C. Wieman (JILA) Rb 87 R. Hulet (Rice) Li 7 W. Ketterle (MIT) Na 23 kondensat Bosego-Einsteina ( ) 25) bozony (F=0, 1, 2,...) Charakterystyki kondensatu: wąskie maksimum w rozkładzie prędkości ampl. maksimum gdy T kształt chmury odtwarza kształt studni potencjału Nobel 2001 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 7/20

8 Kondensat B-E B - 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, on, the the molecules condense without attractive forces, that that is, is, they accumulate at at zero zero velocity. The The theory is is pretty but but is is there also also some truth to to it? it? A. A. Einstein Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 8/20

9 Kondensacja 1 o rozkład populacji dla bozonów: f ( ε ) = 1 = exp β ( ε µ ) 1 normalizacja liczby cząstek: N N 0 + f ) 0 ( ε ) ρ( ε dε ε= energia, µ = pot. chem., β = 1/k B T N = ε f (ε) (ρ(ε) = gęstość stanów energ.) poniŝej temp. krytycznej: całka << << N, N, większość cząstek w stanie podst. Ketterle, Ketterle, PRL PRL 77, 77, (1996) (1996) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 9/20

10 Kondensacja 2 o fale materii: λ = db 2 2π h mk B T Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie (Nobel 1929) gęstość n, śr. odl. cząstek: n -1/3 1/3 degeneracja kwantowa, gdy n ( T ) λ Rzędy wielkości: gaz gaz 900K, n cm cm -3-3,, n -1/3-1/ m, m, λ db db m λ db db << -1/3 << n -1/ atomów w typowej pułapce: T c ~ c nk nk λ db db -1/3 n -1/3 db cały atom bozon lub fermion (całkowity kręt! np. F) atomy w pułapce: - poziomy energetyczne skwantowane - efekt wysoko-temperaturowy : ω k B T >> h Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 10/20

11 BEC w atomach alkalicznych - główne cechy: dostępność doświadczalna (chłodzenie, obserwacja) słabe oddziaływania między atomami ~10-6 cm zasięg oddz. ~10 4 cm odl. międzyatomowe 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, λ db [Å] gęstość [cm -3 ] 2, śr. odległość [nm] 0, en. oddziaływania [K] Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 11/20

12 Doświadczenia z BEC: Optyka fal materm aterii (λ db =h/mv) Optyka Atomów spójne fale interferencja laser atomowy NIST MPQ MIT Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 12/20

13 Optyka nieliniowa nieliniowe mieszanie fal: a) świetlnych (nieliniowość ośrodka mat.) Σ k in =Σ k out Σ ω in =Σ ω out b) fal materii (zawsze nieliniowe) BEC 1999 NIST (W. Phillips) & Marek Trippenbach (UW) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 13/20

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) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 14/20

15 Fizyka ultra-rzadkiej materii skondesowanej : * sieci optyczne: 1D 3D * Nadciekłość Wiry: Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 15/20

16 Fizyka ultra-rzadkiej materii skondesowanej : * Oscylacje Josephsona V2 V1 BEC Thermal cloud [LENS Florencja] Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 16/20

17 Fizyka ultra-rzadkiej materii skondesowanej : * Przejście fazowe Motta - atomy uwolnione z sieci interferują, gdy spójne - spójność f. falowej kondensatów w róŝnych węzłach nadprzewodnictwo - spójność niszczy zwiększenie bariery potencjału - proces odwracalny: nadprzewodnik-izolator- nadprzewodnik [MPQ Garching] Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 17/20

18 micro BEC (Garching & Tubingen) Rb atomów czas ładowania 8 s czas chłodzenia 2,1 s prąd 2A Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 18/20

19 Całkowicie optyczny kondensat May 2001, M. Chapman (GeorgiaTech) Optyczna pułapka dipolowa U= -D E (światło nierezonansowe, aby uniknąć em. spont.) róŝne stany magnetyczne (dośw. Sterna-Gerlacha) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 19/20

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.PrzybliŜenie pola centralnego. 5.Kolejność zapełniania powłok elektronowych, układ okresowy pierwiastków. 6.Efekty wymiany, poziomy energetyczne atomu helu. 7.Struktura subtelna, oddziaływanie spin-orbita, sprzęŝenie 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.PrzybliŜenie 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, prąŝki 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. Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 14 20/20