Streszczenie W13 pułapki jonowe: siły Coulomba pułapki Penninga, Paula pojedyncze jony mogą być pułapkowane i oglądane kontrolowanie pojedynczych atomów zastosowanie w komputerach kwantowych? przeskoki kwantowe (obserw. na żywo emisji/abs. pojed. fotonów w pojed. atomach) ) I czas chłodzenie i pułapkowanie neutralnych atomów siły optyczne: a) spontaniczne ciśnienie światła (rozpraszają en. chłodzą) b) dipolowe (reaktywne nie chłodzą ale pułapkują) spont. siły wspomagane przez niejednorodne pole magnetyczne Pułapka Magnetooptyczna (MOT) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 1/21
N 10 6 at. Rb 85, T 100 µk Pomiar temperatury: czas przelotu 0 @ T 0,0001 K υ atom 30 cm/sek Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 2/21
Ograniczenia a? A) temperatury chłodzenie - p = Nħ k L średnia prędkość = 0 absorpcja - em. spontaniczna grzanie dyfuzja pędu dyspersja prędkości 0 k B T D =D/k=ħΓ/2 granica Dopplera (Na: 240 µk, Rb: 140 µk) B) gęsto stości atomów uwięzienie promieniowania k abs k em ρ max = 10 11 10 12 at/cm 3 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 3/21
Siły dipolowe (reaktywne nie chłodzą!) ħ G ( r ) F d = ( δ k v) 2 2 2 ( δ k v) / γ + 1 + G ( r ) pole E polaryzacja ośrodka: D ind = α E oddz. D E = - αe 2 adresowanie q-bitów? I(r) α <> 0 I(r) I(r) U(r) 0 r r α > 0 U(r) α < 0 k B T 0 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 4/21
[M. Brzozowska et al., Phys. Rev. A 73, 063414 (2006) 160 µκ 96 µκ 75 µκ 62 µκ Γ S Ω V = 2 Γ S + 1 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 5/21
Modelowanie sieci optycznych δ[mhz] -0.4 0 0.4 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 6/21
Jeszcze niższe temperatury niż w MOT? emisja spont. ~100-10 µk K limit ciemne pułapki bez światła optyczne U=-D E magnetyczne U=-µ B siły dipolowe nie chłodzą! odparowanie 300 K 100 µk 100 nk MOT MT Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 7/21
Nie można osiągnąć Zera Absolutnego! III zasada termodynamiki możemy się tylko zbliżać: 300 µk 30 cm 100 µk 10 cm 1 µk 1 mm Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 8/21
Obserwacja diagnostyka: 2 marca 2007 kondensacja Bosego Einsteina 1995-50 nk E. Cornell & C. Wieman (JILA) Rb 87 200 nk R. Hulet (Rice) Li 7 400 nk 500 nk Rb 250 nk 87 <70 nk W. Ketterle (MIT) Na 23 kondensat Bosego-Einsteina (1924-25) 25) bozony (F=0, 1, 2,...) Charakterystyki kondensatu: wąskie maksimum w rozkładzie prędkości ampl. maksimum gdy T kształt chmury odtwarza kształt studni potencjału Nobel 2001 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 9/21
Kondensat B-E - początki 1924 Satyendranath Bose wyprowadził prawo Plancka z zasad fiz. statystycznej 1925 Albert Einstein uogólnił do cząstek z masą, przejście fazowe w niskich temp. Kondensacja Bosego-Einsteina (BEC) From a certain temperature on, the molecules condense without attractive forces, that is, they accumulate at zero velocity. The theory is pretty but is there also some truth to it? A. Einstein Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 10/21
Kondensacja 1 o rozkład populacji dla bozonów: f ( ε ) = exp β ( 1 ε µ ) = 0 + f ( ε ) ρ ( ε ) d normalizacja liczby cząstek: 0 1 ε ε= energia, µ = potencjał chem., β = 1/k B T = f ( ε) ε (ρ(ε) = gęstość stanów energ.) poniżej temp. krytycznej: całka << N, większość cząstek w stanie podst. Ketterle, PRL 77, 416 (1996) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 11/21
Kondensacja 2 o fale materii: gęstość n, śr. odl. cząstek: n -1/3 λ = db 2 π ħ 2 mk B T Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie (Nobel 1929) 1/3 degeneracja kwantowa, gdy λ ( T ) n db Rzędy wielkości: gaz atomowy @ 900K, n 10 16 cm -3, n -1/3 10-7 m, -12 λ db 10-12 m λ db << n -1/3 10 4 atomów w typowej pułapce: T c ~ 100 nk λ db n -1/3 cały atom bozon lub fermion (całkowity kręt! np. F) atomy w pułapce: - poziomy energetyczne skwantowane Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 12/21
BEC w atomach alkalicznych - główne cechy: dostępność doświadczalna (chłodzenie, obserwacja) słabe oddziaływania między atomami ~10-6 cm zasięg oddz. ~10 4 cm odl. międzyatomowe kondensacja w przechłodzonym gazie Ciekły hel kontra gazowy BEC: Hel 4 atomy alkaliczne met. chłodzenia parowanie odparowanie rf liczba atomów 10 4 10 6 wielkość próbki [nm] 10 1 10 4 temperatura [K] 0,37 0,17 10-6 λ db [Å] 30 6 10 4 gęstość [cm -3 ] 2,2 10 22 10 14 śr. odległość [nm] 0,35 100 en. oddziaływania [K] 20 2 10-10 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 13/21
Doświadczenia z BEC: Optyka fal mater aterii (λ db =h/mv) Optyka Atomów spójne fale interferencja laser atomowy NIST MPQ MIT Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 14/21
Zimne fermiony (F=1/2, 3/2, 5/2,...) nie termalizują (zakaz Pauliego) chłodzenie pośrednie boson/fermion, fermion/fermion 1999 D. Jin (JILA) K 40 2001 R. Hulet (Rice) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 15/21
Fizyka ultra-rzadkiej materii skondesowanej : * sieci optyczne: 1D 3D * Nadciekłość Wiry: Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 16/21
Fizyka ultra-rzadkiej materii skondesowanej : * Przejście fazowe Motta - atomy uwolnione z sieci interferują, gdy spójne - spójność f. falowej kondensatów w różnych węzłach nadprzewodnictwo - spójność niszczy zwiększenie bariery potencjału - proces odwracalny: nadprzewodnik-izolator- nadprzewodnik [MPQ Garching] Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 17/21
micro BEC (Garching & Tubingen) 6000 87 Rb atomów czas ładowania 8 s czas chłodzenia 2,1 s prąd 2A Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 18/21
Całkowicie optyczny zny kondensat May 2001, M. Chapman (GeorgiaTech) Optyczna pułapka dipolowa U= -D E (światło nierezonansowe, aby uniknąć em. spont.) różne stany magnetyczne (dośw. Sterna-Gerlacha) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 19/21
Kondensat spinorowy łą ł ł łą łą ęż ą P I P I P I P I P I Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 20/21
Zagadnienia na egzamin 1.Model Bohra, liczby kwantowe. 2.Stabilność orbit atomowych a relacja nieoznaczoności. 3.Defekt kwantowy, poziomy energetyczne atomów wieloelektronowych. 4.Przybliżenie pola centralnego. 5.Kolejność zapełniania powłok elektronowych, układ okresowy pierwiastków. 6.Efekty wymiany, poziomy energetyczne atomu helu. 7.Struktura subtelna, oddziaływanie spin-orbita, sprzężenie L-S i j-j. 8.Podstawy modelu wektorowego, zastosowanie do ef. Zeemana, czynnik Landego 9.Poprawki relatywistyczne do energii poziomów atomowych. 10.Magnetyzm atomowy, efekty Zeemana i Paschena-Backa, pola pośrednie. 11.Struktura nadsubtelna, efekt izotopowy, ef. Backa-Goudsmita. 12.Atom w polu elektrycznym. 13.Struktura poziomów energetycznych i widma cząsteczek. 14.Przybliżenie dipolowe, reguły wyboru. 15.Stany niestacjonarne, rezonans optyczny, polaryzacja w ef. Zeemana. 16.Doświadczenie Francka-Hertza (jak i po co?). 17.Doświadczenie Sterna-Gerlacha (jak i po co?). 18.Doświadczenie Lamba-Retherforda (jak i po co?). 19.Ograniczenia dokładności pomiarów spektroskopowych i sposoby ich eliminacji. 20.Pompowanie optyczne (podstawy i zastosowania). 21.Efekty interferencji stanów atomowych (przecięcia poziomów energet., dudnienia kwantowe, prążki Ramseya). 22.Spektroskopia laserowa, nasycenie i selekcja prędkości i ich zastosowania do eliminacji rozszerzenia dopplerowskiego. 23.Pomiar przesunięcia Lamba stanu 1S (dlaczego i jak?) 24.Pułapki jonowe (jak i po co?). 25.Przeskoki kwantowe i ich obserwacja. 26.Siły optyczne, chłodzenie i pułapkowanie neutralnych atomów. 27.Atomy bozonowe i fermionowe w ultra niskich temperaturach. Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 14 21/21