Podsumowanie ostatniego wykładu

Transkrypt

1 Podsumowanie ostatniego wykładu Obserwacja przejść rezonansowych wymuszonych przez pole EM jest możliwa tylko, gdy istnieje różnica populacji. Tymczasem w zakresie fal radiowych poziomy są prawie jednakowo obsadzone. Wygodną metodą wytwarzania nierównowagowych rozkładów populacji jest pompowanie optyczne (zasada zachowania krętu w oddz. atom-pole). Pompowanie optyczne umożliwia wytwarzanie makroskopowej magnetyzacji gazów atomowych (cząsteczkowych) oraz czułą detekcję przejść rezonansowych (podwójny rezonans). Interferencja kwantowa stanów atomowych -) umożliwia pomiar struktur poz. energetycznych (dudnienia kwantowe, spektroskopia przecinania poziomów) oraz czasów życia stanów atomowych (skrzyżownie poziomów w zerowym polu ef. Hanlego) -) jest podstawą metody Ramseya dla pomiarów spektroskopowych bez poszerzenia przez czas przelotu -) analogia do interferencji w klasycznej optyce falowej (dośw. Younga, interferometr Macha-Zehndera) Atom1 JZ wg. WG 1

2 Spektroskopia laserowa Lasery 1965: Basow, Prochorow, Townes za co kochamy lasery? - monochromatyczność - kolimacja - spójność - intensywność (spektralna i przestrzenna gęstość energii) Ch.H. N.G. A.M. Townes, Basow, Prochorow Zastosowania w klasycznej spektroskopii np. absorpcyjnej: T = I 0 I det = e κ ( λ) L źródło lampa spektr. I 0 ħω próbka spektroskop/ monochromator T detektor - ogranicz. zdoln. rozdz. (szer.instr.) - ogr. czułość (droga opt.) np. widmo Fraunhoffera ω λ λ Atom1 JZ wg. WG ω

3 Lasery w spektroskopii klasycznej próbka detektor lampa spektr. spektroskop/ monochromator laser przestraj. próbka detektor monochromatyczność zwiększenie zdolności rozdziel. (Δω instr Δω doppler ) T T ω ω λ λ kolimacja zwiększ. czułości (drogi opt.) Atom1 JZ wg. WG 3

4 Laserowa spektroskopia bezdopplerowska 1981, N. Bloembergen, A. Schawlow 1. Spektroskopia nasyceniowa. Spektroskopia dwufotonowa Atom1 JZ wg. WG 4

5 Nasycenie: słabe pole EM (mało fotonów/sek) τ śr. populacje 1/I silne pole EM (dużo fotonów/sek) 1/I ubytek fotonów spektro.abs. κ ( λ) L κ N N rozproszenie fot. fluorescencja spektro. emisyjna I = I 0 e 1 oscylacje Rabiego τ śr. populacje κ 0 κ 0 κ ( I) = α + I próbka prawie przezroczysta = 0 0 I Nasycenie absorpcji (przejścia) przez silne pole Atom1 JZ wg. WG 5

6 Atom1 JZ wg. WG 6 Selekcja prędkości ω 0 ω Lab υ ω ω!! k ef. Dopplera: rozszerzenie dopplerowskie Δ Δ D e ω ω ω 0 ω Lab ω 0 ω Lab υ 0 1 ) ( 1 1 ) ( + = τ ω ω t f i t P prawdopodobieństwo absorpcji fotonu

7 Selekcja prędkości c.d. słabe pole N (υ z ) N N 1 = e ΔE k T B silne pole N (υ z ) 0 kυ z N 1 (υ z ) e 0 kυ z kυ z ku ku = k B M T 0 kυ z N 1 (υ z ) 0 kυ z υ z ω L = ω k 0 nasycenie wybranej grupy atomów dla wiązki o częstości ω L w rezonansie są atomy o prędkości (selekcja prędkości) Atom1 JZ wg. WG 7

8 gdy 1 wiązka laserowa przestrajana wokół ω 0 nasycane różne klasy prędkości zmniejszenie kontrastu widma abs. T 0 kυ z i poszerzenie linii bo κ N N 1 ω 0 ω gdy wiązki (słaba + silna) laser przestrajalny Wzmac. fazoczuły w. próbkująca ( k) w. nasycająca (+k) próbka detektor Atom1 JZ wg. WG 8

9 Eliminacja poszerzenia dopplerowskiego: 1. Spektroskopia saturacyjna +k k κ N N 1 ω L k υ T k k ω ω L 0 = z k 0 kυ z = 0 = 1/τ j j υ ω ω L 0 = z + k kalibracja skali!!! Δω D ω 0 ω Laser Atom1 JZ wg. WG 9

10 . Spektroskopia dwufotonowa Reguły wyboru dla jednofotonowych przejść E1 (El-dipol.) zmiana parzystości między stanami o tym samym l potrzeba n fotonów małe prawdopodobieństwo możliwe tylko dla silnych pól EM Parity (+) 1 (+) ħω ħω 1 E E 1 = ħ(ω 1 + ω ) Ef. Dopplera + Założenie ω 1 = ω = ω υ = ħ(ω k υ) N (ω) = ħ(ω + k υ) ω 1 N (ω) ω = ħ(ω + k υ k υ) = ħ ω ω 1 ω G kompensacja ef. D. niezależnie od υ! wszystkie atomy dają wkład nadrabiane małe prawdopodobieństwo Atom1 JZ wg. WG 10 ω 1 N (ω) ω

11 Wielkie eksperymenty, c.d. pomiar przes. Lamba 1S ΔE = C l 4 α( Zα) mc 3 π n w dośw. L.-R. pomiar względny: przesunięcie S wzgl. P H β H α Ly α w stanie 1S przesunięcie 8x większe! ale brak poziomu referencyjnego Atom1 JZ wg. WG 11

12 G wzór Balmera duże regularności widm: E n = R n autokalibracja widm: ω Ly = 4ω H λ(ly α ) = 11,5 nm λ(h β ) = 486 nm 4 λ(ly α ) = λ(h β ) Atom1 JZ wg. WG 1

13 Równoczesny pomiar widma H β i Ly α (przes. Lamba 1S) laser barwnikowy laser N 486 nm H S 11.5 P ampl skala częstości x ω 43 nm 43 nm H Ly α H β S=8161±9 MHz JZ na podst W. Gawlika /17

14 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 F Pułapka Penninga (1936) B ( 1T) linie ekwipotencjalne V _ + JZ na podst W. Gawlika /17

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

16 Pułapka Paula obserwacja jonów: 1989 W. Paul (wspólnie z H. Dehmeltem i N. Ramseyem) pojedyncze jony odparowanie (7 1 szt): JZ na podst W. Gawlika /17

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

18 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 /17

19 Spowalnianie i pułapkowanie atomów światłem siły optyczne: siła spontaniczna (siła ciśnienia światła) F rp przekaz pędu (ciśnienie światła) G( r) F rp = kγ!! ( δ k v) / γ G( r) siła dipolowa (reaktywna) klasyczne wciąganie dielektryka (ε>0, n>1) do pola el. "!! G( r) (niejednorodnego) F d = ( δ k v)!! ( δ k v) / γ G( r) wartość siły rezonansowo zależy od δ (F d nierezonansowo) atom może mieć n > < 1 siła F d > < 0 (wciąga lub wypycha) δ < 0 δ = ω ω γ = 1 τ " 0 G(r) = 1 D E( r)!γ I( r) = I S F d F rp k - δ /k 0 v z JZ na podst W. Gawlika /17

20 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, λ = 590 nm v = 600 m/s (@ 400 K) po zabsorbowaniu 1 fotonu: Δv R = ħk/m = 3 cm/s fotonów do zatrzymania Δp = Σ ħ k abs - Σ ħ k em = N ħ k L I = 6 mw/cm czas zatrzymania: 1 ms droga hamowania: 0,5 m przyspieszenie: 10 6 m/s JZ na podst W. Gawlika 015 0/17

21 GAZ ATOMOWY? dwie przeciwbieżne wiązki laserowe (ta sama częstość; ω L < ω 0 ) ω 0 ω L siła ω L ω 0 ω L Dla ω L < ω 0, efekt Dopplera dostraja atomy do rezonansu z przeciwbieżnymi wiązkami G( r) F rp = " kγ!! ( δ k v) / γ G( r) Fotony pochłonięte mają energię mniejszą niż reemitowane opóźniająca siła (chłodzenie) JZ na podst W. Gawlika 015 1/17

22 Wypadkowa siła: siła k k - δ /k 0 δ/k v z Dla małych prędkości: F -v lepkość OPTYCZNA MELASA zerowa siła dla v=0 chłodzenie JZ na podst W. Gawlika 015 /17

23 Jak pułapkować zimne atomy? σ - B(x) σ + m=+1 m=0 ħω L m= 1 x=0 x siła zależna od położenia: F(x) -x pułapka atomowa JZ na podst W. Gawlika 015 3/17

24 ? 1-D 3-D I I JZ na podst W. Gawlika 015 4/17

25 N 10 6 at. Rb 85, T 100 µk Pomiar T 0,0001 K υ atom 30 cm/sek I I! 0 czas przelotu JZ na podst W. Gawlika 015 5/17

26 Ograniczenia? A) temperatury chłodzenie - Δp = Nħk L średnia prędkość = 0 absorpcja - em. spont. grzanie dyfuzja pędu dyspersja prędkości 0 k B T D =D/k=ħΓ/ granica Dopplera (Na: 40 µk, Rb: 140 µk) B) gęstości atomów uwięzienie promieniowania k abs k em ρ max = at/cm 3 JZ na podst W. Gawlika 015 6/17

27 Siły dipolowe (reaktywne nie chłodzą!) "!! G( r) F d = ( δ k v)!! ( δ k v) / γ G( r) pole E polaryzacja ośrodka: D ind = α E oddz. D E = - αe I(r) G α > < 0 adresowanie q-bitów? I(r) I(r) 0 U(r) r α > 0 U(r) r α < 0 k B T 0 JZ na podst W. Gawlika 015 7/17