- wiązki pompująca & próbkująca oddziaływanie selektywne prędkościowo widma bezdopplerowskie T. 0 k. z L 0 k. L 0 k

Transkrypt

1 Podsumowanie W1 Lasery w spektroskopii atomowej/molekularnej a) spektroskopia klasyczna b) spektroskopia bezdopplerowska 1. Spektroskopia nasyceniowa - wiązki pompująca & próbkująca oddziaływanie selektywne prędkościowo widma bezdopplerowskie T N N 1 nasycenie selekcja prędkości. Spektroskopia dwufotonowa - kompensacja przesunięć dopplerowskich związanych z wiązkami przeciwbieżnymi L 0 k 0 k z L 0 k 0 ħ( + k k ) = ħ D Laser N () Wielkie eksperymenty fizyki atomowej -pomiar przesunięcia Lamba podstawowego stanu wodoru (równoczesny pomiar widm linii Ly i H autokalibracja energii przejść) JZ na podst W. Gawlika 014/13 1/17 1

2 Równoczesny pomiar widma H i Ly (przes. Lamba 1S) laser barwnikowy laser N 486 nm H S 11.5 P ampl skala częstości x 43 nm 43 nm H Ly H S=81619 MHz JZ na podst W. Gawlika 014/13 /17

3 Pułapki jonowe i atomowe po co? Spowolnienie - eliminacja rozszerzeń: Dopplerowskiego, zderzeniowego i przez skończony czas oddział. Lokalizacja w określonym miejscu i warunkach możliwość 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) linie ekwipotencjalne V _ + JZ na podst W. Gawlika 014/13 3/17

4 ruch jonów/elektronów w pułapce Penninga: e, m B z orbita cyklotronowa c =eb/mc r z drgania osiowe ev 0 m( z 0 0 ) orbita magnetronowa m =ce r /Br z << m << c JZ na podst W. Gawlika 014/13 4/17

5 Pułapka Paula obserwacja jonów: 1989 W. Paul (wspólnie z H. Dehmeltem i N. Ramseyem) pojedyncze jony odparowanie (71 szt): JZ na podst W. Gawlika 014/13 5/17

6 Eksperymenty z pojedynczymi jonami obraz jonu jon Liniowa pułapka jonowa q. computing? JZ na podst W. Gawlika 014/13 6/17

7 Przeskoki kwantowe 1989 H. Dehmelt Mech. Kwant. przewiduje eksponencjalną lub periodyczną zależność 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 JZ na podst W. Gawlika 014/13 7/17

8 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 P 1/ s Yb + D 5/ S 1/ F 7/ τ lat Linie widmowe E3: 3 # skoków 171 Yb + 15 # skoków 17 Yb L 5 L MHz MHz JZ na podst W. Gawlika 014/13 8/17

9 Spowalnianie i pułapkowanie atomów światłem siły optyczne: siła spontaniczna (siła ciśnienia światła) F rp przekaz pędu (ciśnienie światła) F rp G( k 0 ( k v) / 1 G( 1 G( 1 DE( I( I S siła dipolowa (reaktywna) klasyczne wciąganie dielektryka (>0, n>1) do pola el. G( (niejednorodnego) F d ( k v) ( k v) / 1 G( wartość siły rezonansowo zależy od (F d nierezonansowo) atom może mieć n > < 1 siła F d > < 0 (wciąga lub wypycha) < 0 F d F rp k - /k 0 v z JZ na podst W. Gawlika 014/13 9/17

10 Jak chłodzić atomy? Podstawy chłodzenia i pułapkowania atomów światłem laserowym 1997 S.Chu,C.Cohen-Tannoudji,W.Phillips CHŁODZENIE ATOMÓW FOTONAMI (siły spontaniczne): wiązka lasera wiązka atomów atomy sodu: M=3, = 590 nm v = 600 m/s (@ 400 K) po zabsorbowaniu 1 fotonu: v R = ħk/m = 3 cm/s fotonów do I = 6 mw/cm czas zatrzymania: 1 ms p = ħ k abs - ħ k em = N ħ k L 0 droga hamowania: 0,5 m przyspieszenie: 10 6 m/s JZ na podst W. Gawlika 014/13 10/17

11 GAZ ATOMOWY? dwie przeciwbieżne wiązki laserowe (ta sama częstość; L < 0 ) 0 L siła L 0 L Dla L < 0, efekt Dopplera dostraja atomy do rezonansu z przeciwbieżnymi wiązkami G( r F rp k ( k v) / 1 G( Fotony pochłonięte mają energię mniejszą niż reemitowane opóźniająca siła (chłodzenie) ) JZ na podst W. Gawlika 014/13 11/17

12 Wypadkowa siła: siła k k - /k 0 /k v z Dla małych prędkości: F -v lepkość OPTYCZNA MELASA zerowa siła dla v=0 chłodzenie JZ na podst W. Gawlika 014/13 1/17

13 Jak pułapkować zimne atomy? - B(x) + m=+1 m=0 ħ L m= 1 x=0 x siła zależna od położenia: F(x) -x pułapka atomowa JZ na podst W. Gawlika 014/13 13/17

14 ? 1-D 3-D I I JZ na podst W. Gawlika 014/13 14/17

15 N 10 6 at. Rb 85, T 100 K Pomiar T 0,0001 K atom 30 cm/sek 0 czas przelotu JZ na podst W. Gawlika 014/13 15/17

16 Ograniczenia? A) temperatury chłodzenie - p = Nħk L średnia prędkość = 0 absorpcja - em. spont. grzanie dyfuzja pędu dyspersja prędkości 0 k B T D =D/k=ħ/ granica Dopplera (Na: 40 K, Rb: 140 K) B) gęstości atomów uwięzienie promieniowania k abs k em max = at/cm 3 JZ na podst W. Gawlika 014/13 16/17

17 Siły dipolowe (reaktywne nie chłodzą!) F d G( ( k v) ( k v) / 1 G( pole E polaryzacja ośrodka: D ind = E oddz. D E = - E I( > < 0 adresowanie q-bitów? I( I( 0 U( r > 0 U( r < 0 k B T 0 JZ na podst W. Gawlika 014/13 17/17