kondensat Bosego-Einsteina

Transkrypt

1 kondensat Bosego-Einsteina Jacek Matulewski Karolina Słowik Jarosław Zaremba Jacek Jurkowski MECHANIKA KWANTOWA DLA NIEFIZYKÓW

2 Podziękowania dla Dr. M. Zawady (Krajowe Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej: KL FAMO) za pomoc w przygotowaniu tego wykładu.

3 Stany skupienia

4 Stany skupienia

5 Stany skupienia

6 Stany skupienia

7 Stany skupienia

8 Temperatura gazu jest związana z ruchem atomów Temperatura miarą średniej energii kinetycznej ruchu cząsteczek gazu: T E = mv 2 2

9 Temperatura gazu jest związana z ruchem atomów film: temperatura Temperatura miarą średniej energii kinetycznej ruchu cząsteczek gazu: T E = mv 2 2

10 Temperatura kondensatu Bosego-Einsteina

11 Temperatura kondensatu Bosego-Einsteina

12 Aby otrzymać kondensat, należy schłodzić = spowolnić atomy film2: chłodzenie laserowe

13 Aby otrzymać kondensat, należy schłodzić = spowolnić atomy

14 Aby otrzymać kondensat, należy schłodzić = spowolnić atomy Chłodzenie laserowe wykorzystujemy pęd fotonu by obniżyć prędkość atomów kwantyzacja energii elektronu na orbitach: tylko fotony o wybranych energiach są absorbowane

15 Dygresja: Efekt Dopplera

16 Dygresja: Efekt Dopplera akustyczny optyczny

17 Dzięki efektowi Dopplera można spowalniać tylko atomy o wybranych prędkościach

18 Pułapka atomowa zbiera zimne atomy w małej objętości Pułapka magnetooptyczna 6 wiązek laserowych spowalnia wuch atomów w każdym kierunku pole magnetyczne utrzymuje spowolnione atomy w centrum pułapki

19 Pułapka atomowa zbiera zimne atomy w małej objętości Pułapka magnetooptyczna 6 wiązek laserowych spowalnia wuch atomów w każdym kierunku pole magnetyczne utrzymuje spowolnione atomy w centrum pułapki

20 Pułapka atomowa zbiera zimne atomy w małej objętości Pułapka magnetooptyczna 6 wiązek laserowych spowalnia wuch atomów w każdym kierunku pole magnetyczne utrzymuje spowolnione atomy w centrum pułapki film: pułapka magnetooptyczna

21 Pułapka atomowa zbiera zimne atomy w małej objętości Pułapka magnetooptyczna 6 wiązek laserowych spowalnia wuch atomów w każdym kierunku pole magnetyczne utrzymuje spowolnione atomy w centrum pułapki film: pułapka magnetooptyczna W pułapce magnetooptycznej osiąga się temperatury 1 mk = K. To wciąż zbyt ciepło dla kondensatu.

22 Chłodzenie przez odparowanie phys.org Dalsze chłodzenie osiąga się poprzez odparowanie z pułapki (najszybszych) najgorętszych atomów.

23 Chłodzenie przez odparowanie twinnings.com Dalsze chłodzenie osiąga się poprzez odparowanie z pułapki (najszybszych) najgorętszych atomów.

24 Chłodzenie przez odparowanie film: chlodzenie przez odparowanie

25 W wyniku chłodzenia powstaje kondensat Bosego - Einsteina (BEC) Stan materii przewidziany przez S. Bosego i A. Einsteina w 1924 r. Na stworzenie trzeba było czekać > 70 lat. Twórcy pierwszego na swiecie kondensatu: W. Ketterle, C. Wieman i E. Cornell. Nagroda Nobla z fizyki w 2001 r.

26 Kondensat Bosego-Einsteina w Toruniu W Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej (KL FAMO) stworzono pierwszy w Europie Środkowej kondensat Bosego-Einsteina.

27 Z czego powstają kondensaty Bosego Einsteina? Ketterle, Wieman i Cornell 1995r.: atomy rubidu Rb Grupa Ketterle 2003r.: cząsteczki Li 2 Grupa F. Schrecka 2009r.: atomy strontu Sr i cząsteczki RbSr m.in. laboratoria w Hannoverze i w Paryżu: swobodny spadek kondensatów makroskopowe obiekty kwantowe

28 Zimne atomy a kondensat Zimne atomy są podobne do powolnych kulek. W kondensacie atomy przenikają się wzajemnie, tworząc jeden superatom. Wszystkie zajmują to samo położenie.

29 Kondensat jako superatom Atomom odpowiadają funkcje falowe. Fala jest tym dłuższa im atom lżejszy i wolniejszy: λ = h mv. Przy temperaturze T = 0.2µK funkcje falowe poszczególnych atomów nakrywają się. Atomy stają się nierozróżnialne. Tworzy się jedna funkcja falowa kondensatu.

30 Detekcja kondensatu Kondensat obserwujemy naświetlając go światłem laserowym o częstości rezonansowej.

31 Detekcja kondensatu Atomy kondensatu pochłaniają fotony i w efekcie otrzymujemy cień kondensatu.

32 Detekcja kondensatu Wszystkie informacje dotyczące kondensatu otrzymujemy badając zdjęcie jego cienia.

33 Detekcja kondensatu W czasie naświetlania kondensat jest niszczony.

34 Zdjęcie cienia chmury zimnych atomów tuż przed kondensacją.

35 Zdjęcie kondensatu Bosego-Einsteina.

36 Zdjęcie (prawie) bosego Einsteina.

37 Przejście fazowe gaz kondensat film: przejście fazowe Film jest efektem złożenia wielu zdjęć kondensatu wykonanych na kolejnych etapach chłodzenia atomów.

38 : źródło: wikipedia Wizualizacje rozkładu prędkości: chmura zimnych atomow kondensat.

39 Właściwości falowe BEC 2 kondensaty podczas zderzenia podlegają interferencji, jak fale na wodzie.

40 Laser atomowy film 6: laser atomowy Wypuszczając w kontrolowany sposób część atomów z kondensatu, możemy otrzymać laser atomowy. Laser taki świeci falami materii.

41 Kondensaty sieci optycznej film 7: siec optyczna Umieszczając kondensat w miejscu przecięcia wiązek laserowych możemy otrzymać tzw. sieci optyczne układy podobne w budowie do ciała stałego, gdzie miejsce atomów zajmują kondensaty. W łatwy sposób możemy zmieniać strukturę takiej sieci i badać jej własności.

42 Wiry w kondensacie I I Kondensat jest substancją nadciekłą: wprawiony w ruch obrotowy będzie się kręcił bez przerwy. Przy odpowiedniej prędkości obrotowej w kondensacie powstają wiry.

43 Kondensat Bosego-Einsteina: podsumowanie Zbiór ultrazimnych atomów lub cząsteczek (temperatury µk). Nowy stan materii: atomy opisane tą samą funkcją falową, są nierozróżnialne (tworzą kondensat = superatom). Makroskopowe układy kwantowe: można "sfotografować ich funkcję falową" (ściślej: rozkład przestrzenny prędkości). Kondensaty mogą dryfować, opadać, interferować między sobą, być wzbudzane, zyskać strukturę (np. wiry),...

44 Jacek Matulewski: Doświadczenie Younga, Postulaty mechaniki kwantowej, Doświadczenia interferencyjne Karolina Słowik Pomiar i dekoherencja Interpretacje mechaniki kwantowej, Fotony i splątanie Informacja kwantowa i jej przetwarzanie Kondensat Bosego - Einsteina Wkrótce: Jarosław Zaremba Kwantowa teoria atomu, Laser, Zastosowania mechaniki kwantowej

45 Jakie wyniki daje doświadczenie Younga, gdy przez szczeliny przypuszczamy: fale (wodne, elektromagnetyczne) cząstki: ziarna piasku lub soli fotony, elektrony Jaki wniosek można stąd wyciągnąć? Które z powyższych wyników zmienią się, gdy za szczelinami znajdzie się obserwator?

46 Czy oddziaływanie z układem pomiarowym może zmienić stan cząstki kwantowej?

47 Co to jest kolaps funkcji falowej? W jakiej sytuacji może zajść?

48 Jakie wyniki i z jakimi prawdopodobieństwami może dać pomiar polaryzacji fotonu w stanie / = + 2 w bazie +, a jakie w bazie?

49 Jakie wyniki i z jakimi prawdopodobieństwami może dać pomiar polaryzacji fotonu w stanie / = + 2 w bazie +, a jakie w bazie? Ile wynosi amplituda prawdopodobieństwa otrzymania w pomiarze wyniku?

50 *Czy można rozróżnić stany polaryzacji / = + 2 za pomocą pomiarów w bazie +? i \ = 2

51 Czy wszystkie wielkości fizyczne można zmierzyć jednocześnie?

52 Czy wszystkie wielkości fizyczne można zmierzyć jednocześnie? Jakich wielkości fizycznych nie można zmierzyć jednocześnie?

53 Czy wszystkie wielkości fizyczne można zmierzyć jednocześnie? Jakich wielkości fizycznych nie można zmierzyć jednocześnie? *Co można powiedzieć o funkcjach własnych wielkości, które można lub nie można zmierzyć jednocześnie?

54 Co to znaczy, że dwie wielkości fizyczne komutują?

55 Czy w dwóch kolejnych, następujących bezpośrednio po sobie pomiarach tej samej wielkości fizycznej, możemy otrzymać różne wyniki?

56 Na czym polega paradoks kota Schrödingera?

57 Jaką nazwę nosi zjawisko utraty spójności przez układ kwantowy?

58 Jaką nazwę nosi zjawisko utraty spójności przez układ kwantowy? Jaki jest jego związek z paradoksem kota Schrödingera?

59 Czy w mechanice kwantowej można stworzyć kopię znanego stanu kwantowego?

60 Czy w mechanice kwantowej można stworzyć kopię znanego stanu kwantowego? Czy można sklonować nieznany stan?

61 Czy w mechanice kwantowej można stworzyć kopię znanego stanu kwantowego? Czy można sklonować nieznany stan? Czy wystarczy do stworzenia kopii nieznanego stanu wystarczy jedna kopia oryginału?

62 Która z interpretacji mechaniki kwantowej najlepiej oddaje wyniki eksperymentów?

63 Podaj przykłady rodzajów promieniowania elektromagnetycznego.

64 Jaki jest związek między energią fotonu a częstotliwością jego drgań?

65 Co to jest polaryzacja światła?

66 Jakie są przykładowe źródła niespolaryzowanego/spolaryzowanego światła?

67 Jak można polaryzować niespolaryzowane światło?

68 Wymień przykłady zastosowań zjawiska polaryzacji.

69 Czym różni się światło kwantowe pod klasycznego?

70 Czym różni się światło kwantowe pod klasycznego? Jak nazywa się źródło światła klasycznego o najmniejszych fluktuacjach natężenia?

71 Wymień przykłady źródeł pojedynczych fotonów.

72 Na czym polega zjawisko spontanicznego parametrycznego dzielenia częstości?

73 Na czym polega zjawisko spontanicznego parametrycznego dzielenia częstości? Jak nazywają się stany, które powstają w tym zjawisku? Podaj przykład.

74 Na czym polega paradoks EPR?

75 Na czym polega paradoks EPR? Jakie dwa wyjaśnienia paradoksu proponowali Einstein, Podolski i Rosen?

76 Co miały na celu eksperymentalne testy nierówności Bella?

77 Ile informacji w stosunku do klasycznego bitu zawiera bit kwantowy? mniej niż klasyczny tyle samo co klasyczny więcej niż klasyczny

78 Ilu liczb rzeczywistych potrzeba by opisać stan kubitu?

79 Podaj przykłady układów fizycznych, w których można zakodować kubit.

80 Podaj przykłady jednokubitowych i dwukubitowych bramek logicznych.

81 Podaj działanie bramek jednokubitowych na stanach bazowych i na superpozycjach.

82 Podaj działanie bramek dwukubitowych na stanach bazowych.

83 Pokaż że bramki sterowanego zaprzeczenia i sterowanej fazy są związane bramkami Hadamarda.

84 Która z bramek jest odwracalna: klasyczna bramka XOR czy kwantowa bramka CNOT?

85 Czy do realizacji algorytmów kwantowych niezbędne są bramki wielokubitowe? Jakie?

86 Na czym polega trudność w fizycznej realizacji bramek dwukubitowych dla fotonów?

87 Co ulega teleportacji w protokole omawianym na wykładzie?

88 *Omów poznany protokół teleportacji.

89 Wybierz właściwą odpowiedź: Do przeprowadzenia teleportacji potrzebna jest para dowolnych cząstek kwantowych jedna cząstka w superpozycji położeń ( laboratorium Alicji + laboratorium Boba ) / 2 splątana para cząstek, dzielona przez Alicję i Boba

90 Czy na końcu protokołu teleportacji Alicja i Bob oboje mają po swojej kopii teleportowanego stanu?

91 Co to jest i do czego służy klucz kryptograficzny?

92 Co to jest i do czego służy klucz kryptograficzny? Czy dowolnego ciągu bitów można użyć jako klucza kryptograficznego?

93 Czy klucz kryptograficzny może być ogłoszony publicznie?

94 *Omów protokół BB84 dystrybucji klucza kryptograficznego.

95 O jakie zjawisko oparta jest kwantowa dystrybucja klucza w protokole BB84? superpozycji klonowania splątania

96 Co to znaczy, że kwantowe metody dystrybucji klucza są bezpieczne?

97 Jakie zjawisko jest podstawą szybkości algorytmów kwantowych? superpozycji klonowania splątania

98 Wymień 5 stanów skupienia materii.

99 Jaki jest związek między temperaturą gazu a predkością atomów/cząsteczek, które go tworzą?

100 Kondensat Bosego - Einsteina może powstać: w ultraniskich temperaturach w temperaturze ciekłego azotu 1.6 K w temperaturze pokojowej w ultrawysokich temperaturach (np. na powierzchni Słońca)

101 Na czym polega chłodzenie laserowe?

102 Na czym polega chłodzenie laserowe? Co to jest efekt Dopplera?

103 Na czym polega chłodzenie laserowe? Co to jest efekt Dopplera? Jak efekt Dopplera pomaga w chłodzeniu laserowym?

104 Po włączeniu pułapki magnetooptycznej: z czasem zwiększa się liczba spułapkowanych atomów z czasem zmniejsza się liczba spułapkowanych atomów

105 W zjawisku chłodzenia przez odparowanie zwiększa się liczba spułapkowanych atomów zmniejsza się liczba spułapkowanych atomów

106 Czym charakteryzuje się funkcja falowa atomów w kondensacie?

107 Na czym polega detekcja (wykonanie zdjęć) kondensatu Bosego - Einsteina?

108 Na czym polega detekcja (wykonanie zdjęć) kondensatu Bosego - Einsteina? Czy pomiar kondensatu jest destrukcyjny? Dlaczego?

109 Podaj przykład zjawiska, w którym kondensaty wykazują zachowanie o charakterze falowym.