Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Podobne dokumenty
Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

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

Atomy w zewnętrznym polu magnetycznym i elektrycznym

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

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

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

II.6 Atomy w zewnętrznym polu magnetycznym

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Streszczenie W13. chłodzenie i pułapkowanie neutralnych atomów. pułapki jonowe: siły Coulomba

Streszczenie W13. pułapki jonowe: siły Kulomba. łodzenie i pułapkowanie neutralnych atomów. 9 pułapki Penninga, Paula

Wykład Atom o wielu elektronach Laser Rezonans magnetyczny

zastosowanie w komputerach kwantowych? przeskoki kwantowe (obserw. na żywo emisji/abs. pojed. fotonów w pojed. atomach)

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

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

2/τ. ω fi Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 10 1/14 = 1. 2 fi 0.5

pułapki jonowe: siły Kulomba łodzenie i pułapkowanie neutralnych atomów pułapki Penninga, Paula pojedyncze jony mogą być pułapkowane i oglądane

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Nierównowagowe kondensaty polarytonów ekscytonowych z gigantycznym rozszczepieniem Zeemana w mikrownękach półprzewodnikowych

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Mateusz Winkowski, Jan Szczepanek

kondensat Bosego-Einsteina

WYKŁAD 2 Podstawy spektroskopii wibracyjnej, model oscylatora harmonicznego i anharmonicznego. Częstość oscylacji a struktura molekuły Prof. dr hab.

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wykład Budowa atomu 3

Temperatura i ciepło

Spin jądra atomowego. Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 1

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Stara i nowa teoria kwantowa

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

0900 FS2 2 FAC. Fizyka atomu i cząsteczki FT 8. WYDZIAŁ FIZYKI UwB KOD USOS: Karta przedmiotu. Przedmiot moduł ECTS. kierunek studiów: FIZYKA 2 st.

Atomy mają moment pędu

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE

Doświadczenie Sterna-Gerlacha

Atom wodoru. Model klasyczny: nieruchome jądro +p i poruszający się wokół niego elektron e w odległości r; energia potencjalna elektronu:

Podsumowanie ostatniego wykładu

Podsumowanie W10. Oparte o: Prof.W. Gawlik Wst p do Fizyki Atomowej, 2004/05 1/21

ANALITYKA W KONTROLI JAKOŚCI

Podsumowanie W9. Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2003/04. wykład 12 1

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

II.5 Sprzężenie spin-orbita - oddziaływanie orbitalnych i spinowych momentów magnetycznych

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

2/τ. ω fi = 1. Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10 1/21. 2 fi 0.5

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Streszczenie W8: Widma molekularne: Oddziaływanie atomów z polami EM:

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

Podsumowanie W11. Nierównowagowe rozkłady populacji pompowanie optyczne (zachowanie krętu atom-pole EM)

Właściwości chemiczne i fizyczne pierwiastków powtarzają się w pewnym cyklu (zebrane w grupy 2, 8, 8, 18, 18, 32 pierwiastków).

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Oddziaływanie atomu z kwantowym polem E-M: C.D.

II.4 Kwantowy moment pędu i kwantowy moment magnetyczny w modelu wektorowym

Spektroskopia magnetyczna

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Ultra-zimne atomy w kompaktowym układzie eksperymentalnym

fotony i splątanie Jacek Matulewski Karolina Słowik Jarosław Zaremba Jacek Jurkowski MECHANIKA KWANTOWA DLA NIEFIZYKÓW

ZESTAW PYTAŃ I ZAGADNIEŃ NA EGZAMIN Z FIZYKI sem /13

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 1/21. 2 fi 0.5

Laboratorium FAMO. Laboratorium ultrazimnej. Laboratorium małych zespołów jonów Laboratorium inżynierii kwantowej

Atom wodoru w mechanice kwantowej. Równanie Schrödingera

Diagnostyka plazmy - spektroskopia molekularna. Ewa Pawelec wykład dla pracowni specjalistycznej

Wykład 5 Widmo rotacyjne dwuatomowego rotatora sztywnego

Liczby kwantowe elektronu w atomie wodoru

Optyka. Optyka geometryczna Optyka falowa (fizyczna) Interferencja i dyfrakcja Koherencja światła Optyka nieliniowa

Atom ze spinem i jądrem

Pomiar widm emisyjnych He, Na, Hg, Cd oraz Zn

Metody rezonansowe. Magnetyczny rezonans jądrowy Magnetometr protonowy

Recenzja pracy doktorskiej mgr Tomasza Świsłockiego pt. Wpływ oddziaływań dipolowych na własności spinorowego kondensatu rubidowego

Oddziaływania fundamentalne

Wykład Budowa atomu 2

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

Fizyka elektryczność i magnetyzm

Fizyka. dr Bohdan Bieg p. 36A. wykład ćwiczenia laboratoryjne ćwiczenia rachunkowe

Prawa ruchu: dynamika

Stany skupienia materii

Nadpłynność i nadprzewodnictwo

Laser atomowy. Tomasz Kawalec. 15 stycznia Laser optyczny i atomowy Dotychczasowe realizacje Nowy pomysł Zimne atomy w ZOA

Moment pędu fali elektromagnetycznej

Mechanika kwantowa. Erwin Schrödinger ( ) Werner Heisenberg

Warsztaty metod fizyki teoretycznej Zestaw 4 Chłodzenie laserowe - cz. I

NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY) dr Marcin Lipowczan

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

Elektrodynamika Część 6 Elektrodynamika Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Diagnostyka kinematyki zimnych atomów 85 Rb metodą spektroskopii ramanowskiej

O kondensacie BosegoEinsteina powstaj cym w ZOA

W poszukiwaniu najniższych temperatur

Transkrypt:

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej Część I: Optyka, wykład 5 wykład: Piotr Fita pokazy: Andrzej Wysmołek ćwiczenia: Anna Grochola, Barbara Piętka Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski 2013/14

Plan 1 Atomy w polach zewnętrznych 2 Chłodzenie i pułapkowanie atomów 3 Kondensat Bosego-Einsteina

Atom w polu magnetycznym Efekt Zeemana W słabym polu zachowane zostaje sprzężenie L-S. Wypadkowy moment magnetyczny µ J oddziałuje z polem magnetycznym µ J = µ S + µ L µ J wiruje wokół J mierzalny jest rzut ( µ J ) J ( µ J ) J wiruje wokół B0 Energia oddziaływania: E B = ( µ J ) J B 0 [H. Haken, H.C. Wolf, Atomy i kwanty]

Atom w polu magnetycznym Jak wyznaczyć potrzebne rzuty? E B = ( µ J ) J B 0 = (µ J ) J,z B 0 µ L = g L µ B L, g L = 1 µ S = g S µ B S, g S 2 µ J = g J µ B J, g J =? Z tw. cosinusów: J(J + 1) + S(S + 1) L(L + 1) g J = 1+ 2J(J + 1) [H. Haken, H.C. Wolf, Atomy i kwanty]

Atom w polu magnetycznym Energia oddziaływania E B = ( µ J ) J B 0 = (µ J ) J,z B 0 µ L = g L µ B L, g L = 1 µ S = g S µ B S, g S 2 µ J = g J µ B J, g J =? Z tw. cosinusów: J(J + 1) + S(S + 1) L(L + 1) g J = 1+ 2J(J + 1) Rzut na kierunek pola: ( µ J ) J,z = m J g J µ B m J = J,.., J Energia oddziaływania: E B = m J g J µ B B 0

Efekt Zeemana Widmo sodu w słabym polu magnetycznym Dozwolone przejścia optyczne: m j = ±1 polaryzacja kołowa m j = 0 polaryzacja liniowa [H. Haken, H.C. Wolf, Atomy i kwanty]

Efekt Paschena-Backa Atom w silnym polu magnetycznym Silne pole zerwanie sprzężenia L-S. L i S niezależnie sprzęgaja się z zewnętrznym polem E B = (m l + 2m s )µ b B 0

Atom w polu elektrycznym Klasycznie Pole elektryczne indukuje w atomie moment dipolowy p = α E Energia oddziaływania momentu dipolowego z polem elektrycznym E = 1 2 p E = 1 2 αe 2 Przesunięcia poziomów proporcjonalne do kwadratu natężenia pola elektrycznego Zgodne jakościowo z obserwacjami (ale nie wszystkimi!)

Atom w polu elektrycznym Kwantowo - stany niezdegenerowane Stosujemy rachunek zaburzeń W jednorodnym polu elektrycznym E = Eẑ: H = H 0 + eez = H 0 + H E Poprawka pierwszego rzędu do energii stanu ψ i >: E (1) i =< ψ i H E ψ i >= ee < ψ i z ψ i >= 0 Poprawka drugiego rzędu: E (2) i = j i ee < ψ j z ψ i > 2 E i E j = e 2 E 2 j i < ψ j z ψ i > 2 E i E j Poprawka proporcjonalna do E 2 - kwadratowy efekt Starka

Atom w polu elektrycznym Kwantowo - stany zdegenerowane Jeśli ψ 1 > i ψ 2 > sa stanami zdegenerowanymi, to < ψ 1 eez ψ 1 > E < ψ 1 eez ψ 2 > < ψ 2 eez ψ 1 > < ψ 2 eez ψ 2 > E = 0 E E 12 E = 0 E 12 E 2 E 12 2 = 0 E 12 = ± E 12 = ±ee < ψ 1 z ψ 2 > Liniowy efekt Starka (np. w stanach o n = 2 atomu wodoru)

Laserowe spowalnianie fotonów Przy każdym akcie absorpcji foton przekazuje pęd p fot = h λ Pędy uzyskiwane przez atom w aktach emisji uśredniaja się do zera Po N aktach absorpcji-emisji atom uzyskuje wypadkowy pęd w kierunku wi azki p = Np fot

Laserowe spowalnianie fotonów Grupę atomów z wiazki o jednakowej prędkości można spowolnić do prędkości bliskiej 0 ( ) Atom "widzi" światło o częstości ω = ω laser 1 + v c Laser musi być przestrajany w miarę spowalniania atomów Częstość przejść atomowych ω a musi być modyfikowana, aby zawsze spełniony był warunek ( ω a = ω laser 1 + v ) c

Spowalniacz zeemanowski Do zmiany częstości przejść wykorzystuje się efekt Zeemana: [http://es1.ph.man.ac.uk/] Pole magnetyczne zmienia się wzdłuż kierunku wiazki atomowej.

Spowalniacz zeemanowski [http://es1.ph.man.ac.uk/]

Pułapkowanie atomów Melasa optyczna Atom w przeciwbieżnych wiazkach laserowych Prawdopodobieństwo absorpcji fotonu opisane profilem Lorentza: α 0 α(ω) = (ω ω 0 ) 2 + (γ/2) 2 Dopplerowskie przesunięcie częstości ( ω(v) = ω L 1 + v ) c Wypadkowa siła działajaca na atom z dwóch wiazek: F (ω L ω 0 )ω L v c Dla ω L < ω 0 jest F v (siła oporu) (szczegóły na tablicy)

Melasa optyczna W trzech wymiarach atomy poruszaja się jak w środowisku stawiajacym bardzo duży opór (o dużej lepkości, jak melasa) Siła zależy od prędkości, nie od położenia Nie ma pułapkowania, tylko silne spowolnienie ruchu atomów Pułapkowanie wymaga siły zależnej od położenia

Granice chłodzenia Temperatura dopplerowska Chłodzenie oparte na absorpcji - emisji spontanicznej: dla wielu aktów abs-em. średni pęd atomu < p >= 0 ale średni kwadrat pędu < p 2 > 0 czyli temperatura T > 0 dopplerowska granica chłodzenia: T D = γ 2k B T D 100 500µK

Granice chłodzenia Poniżej temp. dopplerowskiej Chłodzenie Syzyfa T min T r = 2 k 2 2mk B [E. Luc, F. Renzoni, Nat. Phys. 9, 615 (2013] (Temp. odrzutu) W praktyce T min 10µK

Pułapkowanie atomów Atom dwupoziomowy w polu magnetycznym: Stan wzbudzony o całkowitym momencie pędu F = 1 Stan podstawowy o F = 0 W polu magnetycznym stan górny ulega rozszczepieniu, a dolny nie F = 1 B = 0 B > 0 F = 1, m F = 1 F = 1, m F = 0 F = 1, m F = -1 σ + π σ - F = 0 F = 0 Działa reguła wyboru na m F - stan końcowy zależy od polaryzacji światła

Pułapkowanie atomów Pułapka magnetooptyczna (MOT) - 1 wymiar Chmura atomowa w polu magnetycznym liniowo zależnym od położenia naturalna częstość przejścia laser absorpcja [K. Brzozowski, rozprawa doktorska, UJ, Kraków 2010] Siła zwrotna - zależna od położenia

Pułapkowanie atomów Pułapka magnetooptyczna (MOT) - 3 wymiary [K. Brzozowski, rozprawa doktorska, UJ, Kraków 2010]

Pułapka magnetooptyczna (MOT) [C. Orzel, scienceblogs.com]

Optyczna pułapka dipolowa Dynamiczny efekt Starka - pole elektryczne fali E-M indukuje w atomie oscylujacy moment dipolowy p = αe α - zespolone, bo oscylacje p nie sa w fazie z E (oscylator z siła wymuszajac a) Energia oddziaływania atomu z polem E Siła działajaca na atom: E = 1 2 < p E >= 1 2ɛ 0 c R(α)I F = E = 1 2ɛ 0 c R(α) I Znak R(α) zależy od ω = ω ω 0 Dla ω < 0 atom jest wci agany w obszar większego natężenia światła I

Optyczna pułapka dipolowa Atomy sa pułapkowane w ognisku wiazki laserowej [T. A. Nieminen, Nature Phot. 4, 737 (2010)] Atomy 87 Rb w jednej i w dwóch skrzyżowanych wi azkach laserowych [www.physics.uq.edu.au]

Sieci optyczne Pułapka dipolowa utworzona przez interferujace wiazki światła [I. Bloch, Nature 453, 1016 (2008)]

Kondensat Bosego-Einsteina Makroskopowa liczba atomów obsadza stan podstawowy Atomy w kondensacie maja ten sam pęd Atomy zachowuja się kolektywnie ("jak jedna czastka") [W. Ketterle, Postępy Fizyki 54, 11 (2003)]

Kondensat Bosego-Einsteina Trudności Atomy musza być uwięzione za pomoca pól, bo w komórce osiadłyby na ściankach Atomy musza zostać schłodzone tak, by nie skondensowały "klasycznie" - do cieczy lub ciała stałego Chłodzenie w pułapce magnetooptycznej nie zapewnia dostatecznie niskiej temperatury

Kondensat Bosego-Einsteina Chłodzenie przez odparowanie Atomy o największej energii uciekaja z układu Stopniowo obniżajac potencjał obniża się temperaturę układu pozostajacego w pułapce (magnetycznej) W trakcie schładzania następuje kondensacja [cold-atoms.physics.lsa.umich.edu]

Kondensat Bosego-Einsteina [cua.mit.edu]

Kondensat Bosego-Einsteina Interferencja dwóch kondensatów

Monopole magnetyczne w kondensacie [M. W. Ray, E. Ruokokoski, S. Kandel, M. Möttönen, D. S. Hall, Nature 505, 657 (2014)]

Atomy w polach zewnetrznych Chłodzenie i pułapkowanie atomów Kondensat Bosego-Einsteina Układ dos wiadczalny [www.quantum-munich.de] Kondensat Bosego-Einsteina

Zastosowania zimnych atomów "Platforma testowa" dla mechaniki i elektrodynamiki kwantowej Ultraprecyzyjna spektroskopia atomowa Ultraprecyzyjne wzorce czasu (zegary optyczne o dokładności lepszej niż 10 17 ) Pomiary bardzo słabych pól magnetycznych Poszukiwania "nowej fizyki" wpływ nieznanych pól na zachowanie atomów w kondensacie (aksjony)