Podsumowanie W Spektroskopia dwufotonowa. 1. Spektroskopia nasyceniowa. selekcja prędkości. nasycenie. ω 0 ω Laser. ω 21 2ω.

Transkrypt

1 Podsumowanie W1 Lasery w spektroskopii atomowej/molekularnej a) spektroskopia klasyczna b) spektroskopia bezdopplerowska 1. Spektroskopia nasyceniowa nasycenie selekcja prędkości - wiązki pompująca & próbkująca oddziaływanie selektywne prędkościowo widma bezdopplerowskie κ 1 T. Spektroskopia dwufotonowa - kompensacja przesunięć dopplerowskich związanych z wiązkami przeciwbieżnymi ħ( + k υ k υ) = ħ L 0 k 0 kυ z L 0 + k D 0 Laser N () 1 Wielkie eksperymenty fizyki atomowej - pomiar przesunięcia Lamba podstawowego stanu wodoru (równoczesny pomiar widm linii Ly α i H β autokalibracja energii przejść) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09. wykład 13 1/16

2 Równoczesny pomiar widma H β i Ly α (przes. L. 1S) laser barwnikowy laser N 486 nm H F-P S P 11.5 ampl. Det Det. skala częst. x 43 nm 43 nm H Det. H β Ly α H β Ly α S=8161±9 MHz Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09. wykład 13 /16

3 poprawka błędu z W10 Dokładność pomiarów spektroskopowych rozwój technik pomiarowych poprawa dokładności Balmer n (model Bohra) Zeeman, Lorentz Spin, struktura subtelna interferometry struktura nsbt. aparaturowe ograniczenia zdolności rozdz. ν instr ogranicz. fizyczne kwestia szerokości linii widmowych gaz efekt Dopplera k υ rozszerzenie dopplerowskie = c 8 k M T 7,16 0 B 10 7 D 0 fundamentalne ograniczenie relacja Heisenberga: = T M E t ħ naturalna szerokość linii spektralnych ponadto możliwe: rozszerzenie zderzeniowe, rozszerzenie przez skończony czas oddziaływania Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09. wykład 13 3/16 nat = 1 τ

4 poprawka błędu z W10 Zmniejszenie rozszerz. dopplerowskiego = c 8 k M T = 7,16 0 B 10 7 D 0 T M na ogół D 100 nat ale D gdy: T 0 gaz skolimowana wiązka atom./molek. + prostopadłe wzbudzanie i obserwacja k υ k k υ = 0 υ metody radiospektroskopii, spektroskopii laserowej, chłodzenie i pułapkowanie atomów i jonów Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09. wykład 13 4/16

5 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 _1-100 V + Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09. wykład 13 5/16

6 ruch jonów/elektronów w pułapce Penninga: e, m B z orbita cyklotronowa c =eb/mc r = drgania osiowe ev 0 m( ρ z 0 z + 0 ) orbita magnetronowa m =ce r /Br z << m << c Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09. wykład 13 6/16

7 Pułapka Paula obserwacja jonów: 1989 W. Paul (wspólnie z H. Dehmeltem i N. Ramseyem) pojedyncze jony odparowanie (7 1 szt): Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09. wykład 13 7/16

8 Eksperymenty z pojedynczymi jonami obraz jonu jon Liniowa pułapka jonowa q. computing? Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09. wykład 13 8/16

9 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 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09. wykład 13 9/16

10 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 P1/ τ s Yb + D5/ F7/ τ = 5.4 lat 3.6 S1/ Linie widmowe E3: # skoków Yb + 15 # skoków 17 Yb ν L 5 ν L MHz MHz Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09. wykład 13 10/16

11 Spowalnianie i pułapkowanie atomów światłem siły optyczne: siła spontaniczna (siła ciśnienia światła) F rp przekaz pędu (ciśnienie światła) G ( r ) F rp = k γ ( δ k v ) / γ G ( r ) δ = γ = 1τ ħ 0 G(r) = 1 D E ( ħγ r ) = I ( I r S ) siła dipolowa (reaktywna) klasyczne wciąganie dielektryka (ε>0, n>1) do pola el. (niejednorodnego) ħ G ( r ) F d = ( δ k v) ( δ k v) / γ δ < 0 G ( r ) wartość siły rezonansowo zależy od δ (F d nierezonansowo) atom może mieć n <> 1 siła F d <> 0 (wciąga lub wypycha) F d F rp k 0 v z - δ /k Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09. wykład 13 11/16

12 Jak chłodzić atomy? Podstawy chłodzenia i pułapkowania atomów światłem laserowym 1997 S.Chu,C.Cohen-Tannoudji,W.Phillips CHŁODZENIE ATOMÓW FOTONAMI (siły spontaniczne): atomy sodu: M=3, λ =590 nm wiązka lasera wiązka atomów 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 = Σ ħk abs - Σ ħk em = N ħ k L 0 droga hamowania: 0,5 m przyspieszenie: 106 m/s Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09. wykład 13 1/16

13 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 = ħ k γ ( δ k v ) / γ G ( r ) Fotony pochłonięte mają energię mniejszą niż reemitowane opóźniająca siła (chłodzenie) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09. wykład 13 13/16

14 Wypadkowa siła: siła k k - δ /k 0 δ/k v z Dla małych prędkości: F -v lepkość ść OPTYCZNA MELASA zerowa siła dla v=0 chłodzenie Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09. wykład 13 14/16

15 Jak pułapkować zimne atomy? σ - B(x) σ + m=+1 m=0 ħ L m= 1 x=0 x siła zależna od położenia: F(x) -x pułapka atomowa Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09. wykład 13 15/16

16 ? 1-D 3-D I I Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09. wykład 13 16/16

17 N 10 6 at. Rb 85, T 100 µk Pomiar temperatury: czas przelotu T 0,0001 K υ atom 30 cm/sek Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 008/09. wykład 13 17/16