Dźwig budowlany a szybki transport zimnych atomów

Dźwig budowlany a szybki transport zimnych atomów Tomasz Kawalec 5 listopada 2007 ENS, Laboratoire Kastler Brossel l Université Pierre et Marie Curie Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 1 / 24

Spis treści Droga do lasera atomowego Droga do lasera atomowego Grupa Cel i osiągnięcia W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) Analogia optyczna Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 2 / 24

Grupa Cel i osiągnięcia Ecole Normale Supérieure Laboratoire Kastler Brossel grupa wiązek atomowych Gaël Reinaudi TK David Guéry-Odelin Antoine Couvert Poprzednio: Jean Dalibard Zhaoying Wang Thierry Lahaye Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 3 / 24

Grupa Cel i osiągnięcia Ecole Normale Supérieure Laboratoire Kastler Brossel grupa wiązek atomowych Gaël Reinaudi TK David Guéry-Odelin Antoine Couvert Poprzednio: Jean Dalibard Zhaoying Wang Thierry Lahaye jesień 2008: przeprowadzka Paryż Tuluza możliwa wymiana studentów Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 3 / 24

Grupa Cel i osiągnięcia cel: konstrukcja lasera atomowego o działaniu ciągłym Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 4 / 24

Grupa Cel i osiągnięcia cel: konstrukcja lasera atomowego o działaniu ciągłym dotychczasowe realizacje laserów atomowych: uwalnianie atomów z pułapki magnetycznej (W. Ketterle, T. Esslinger, W.D. Phillips, A. Aspect, J.D. Close), optycznej (M. Weitz) lub hybrydowej (A. Aspect) Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 4 / 24

Grupa Cel i osiągnięcia cel: konstrukcja lasera atomowego o działaniu ciągłym dotychczasowe realizacje laserów atomowych: uwalnianie atomów z pułapki magnetycznej (W. Ketterle, T. Esslinger, W.D. Phillips, A. Aspect, J.D. Close), optycznej (M. Weitz) lub hybrydowej (A. Aspect) alternatywna droga: chłodzenie atomów w wiązce Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 4 / 24

Grupa Cel i osiągnięcia cel: konstrukcja lasera atomowego o działaniu ciągłym dotychczasowe realizacje laserów atomowych: uwalnianie atomów z pułapki magnetycznej (W. Ketterle, T. Esslinger, W.D. Phillips, A. Aspect, J.D. Close), optycznej (M. Weitz) lub hybrydowej (A. Aspect) alternatywna droga: chłodzenie atomów w wiązce zalety: duże natężenie wiązki atomów laser o pracy naprawdę ciągłej Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 4 / 24

Grupa Cel i osiągnięcia cel: konstrukcja lasera atomowego o działaniu ciągłym dotychczasowe realizacje laserów atomowych: uwalnianie atomów z pułapki magnetycznej (W. Ketterle, T. Esslinger, W.D. Phillips, A. Aspect, J.D. Close), optycznej (M. Weitz) lub hybrydowej (A. Aspect) alternatywna droga: chłodzenie atomów w wiązce zalety: duże natężenie wiązki atomów laser o pracy naprawdę ciągłej problemy: chłodzenie przez odparowanie w 2D mało efektywne krótki czas dostępny na odparowanie układ eksperymentalny trudny do realizacji Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 4 / 24

Grupa Cel i osiągnięcia 2D MOT N MOT = 2 10 9 at. B/ x 1 kgs/cm I guide 400 A γ col = 5 s 1 φ fin = 7 10 9 at/s ρ fin = 2 10 7 = 10 ρ ini T fin = T ini/4 Phys. Rev. A. 72, 033411 (2005) Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 5 / 24

Grupa Cel i osiągnięcia ciąg pułapek IP odparowanie 3D B depth = 50 Gs v conv 100 cm/s Phys. Rev. A 74, 033622 (2006) Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 6 / 24

Grupa Cel i osiągnięcia ciąg pułapek IP odparowanie 3D B depth = 50 Gs v conv 100 cm/s Phys. Rev. A 74, 033622 (2006) lustro magnetyczne B bar = 160 Gs E fin /E ini = 5% v m = 20...120 cm/s Eur. Phys. J. D 40, 405 (2006) Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 6 / 24

W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) umożliwia: dostarczanie atomów do obszarów wolnych od wiązek laserowych i cewek pułapek MOT ułatwienie badania oddziaływań z powierzchnią ciał stałych ładowanie atomów do siatek optycznych kontrolowanie pozycji atomów we wnękach optycznych przemieszczanie atomów pomiędzy różnymi częściami układu eksperymentalnego konstrukcję układu do ciągłej produkcji kondensatu BE Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 7 / 24

W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) umożliwia: dostarczanie atomów do obszarów wolnych od wiązek laserowych i cewek pułapek MOT ułatwienie badania oddziaływań z powierzchnią ciał stałych ładowanie atomów do siatek optycznych kontrolowanie pozycji atomów we wnękach optycznych przemieszczanie atomów pomiędzy różnymi częściami układu eksperymentalnego konstrukcję układu do ciągłej produkcji kondensatu BE Zagadnienia optymalnego transportu dotyczą m.in.: zagadnień inżynierskich kontroli położenia jonów do obliczeń kwantowych eksperymentów z dziedziny zimnych atomów Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 7 / 24

W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) nieruchome cewki ze zmiennymi prądami Esslinger (2001) pęseta optyczna Ketterle (2002) mechanicznie przesuwane cewki Cornell (2003) mechanicznie przesuwane magnesy, pułapki IP Guéry-Odelin (2006) sieci optyczne Meschede (2001), Denschlag (2006) mikropułapki IP Hänsch (2001), Reichel (2005), Zimmerman (2005) Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 8 / 24

W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) nieruchome cewki ze zmiennymi prądami Esslinger (2001) pęseta optyczna Ketterle (2002) mechanicznie przesuwane cewki Cornell (2003) mechanicznie przesuwane magnesy, pułapki IP Guéry-Odelin (2006) sieci optyczne Meschede (2001), Denschlag (2006) mikropułapki IP Hänsch (2001), Reichel (2005), Zimmerman (2005) Science 296, 2193 (2002) Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 8 / 24

W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) wybór potencjału pułapkującego: harmoniczny praktyczna realizacja: dno potencjału dipolowego pęsety optycznej w 2 2 0 U(x, y, z) = U +y 2 )/w 2 (z) 0 w 2 (z) e 2(x w 2 (z) = w0(1 2 + z2 ), z zr 2 R = πw0/λ 2 Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 9 / 24

W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) wybór potencjału pułapkującego: harmoniczny praktyczna realizacja: dno potencjału dipolowego pęsety optycznej w 2 2 0 U(x, y, z) = U +y 2 )/w 2 (z) 0 w 2 (z) e 2(x w 2 (z) = w0(1 2 + z2 ), z zr 2 R = πw0/λ 2 y, z = 0 1 x, y = 0 1 U/Uo -2-1 1 2-1 x/w U/Uo -2-1 1 2-1 z/z R Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 9 / 24

W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 10 / 24

W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) siła: F = m z c(t) rozmiar pakietu: z kryterium adiabatyczności: A z max t( z c(t)) ω 2 0 z Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 10 / 24

W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) synchronizacja transportu z okresem drgań atomów w pułapce siła: F = m z c(t) rozmiar pakietu: z kryterium adiabatyczności: A z max t( z c(t)) ω 2 0 z Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 10 / 24

W jakim celu Dotychczasowe realizacje Optymalizacja transportu (i co ma do tego dźwig albo suwnica) synchronizacja transportu z okresem drgań atomów w pułapce siła: F = m z c(t) rozmiar pakietu: z kryterium adiabatyczności: A z max t( z c(t)) ω 2 0 z działanie ręczne operator działanie automatyczne ze sprzężeniem działanie automatyczne system otwarty Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 10 / 24

Analogia optyczna A(T, ω 0) = F[ż c](ω 0), F[f] = + f(t)e iωt dt 1 A(2τ, ω 0) = = d sinc 2 (ω 0τ/2) A/d 0 π 2π 3π 4π ω oτ Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 11 / 24

Analogia optyczna A(T, ω 0) = F[ż c](ω 0), F[f] = + f(t)e iωt dt 1 A(2τ, ω 0) = = d sinc 2 (ω 0τ/2) A/d 0 π 2π 3π 4π ω oτ 2 A(4τ, ω 0) = = 2d sinc 2 (ω 0τ/2) sin(ω 0τ) A/d 1 0 π 2π 3π 4π ω oτ Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 11 / 24

Analogia optyczna eksperyment Young a dyfrakcja interferencja 2 A(4τ, ω 0) = = 2d sinc 2 (ω 0τ/2) cos(ω 0τ) A/d 1 0 π 2π 3π 4π ω oτ Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 12 / 24

Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 13 / 24

IPG LASER, YLR-300-LP λ = 1072 nm FWHM = 4 nm P max = 300 W Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 13 / 24

Problemy techniczne: bezpieczeństwo niestabilność mocy wyjściowej w zakresie Hz i khz halo wokół wiązki problemy ze stabilizacją natężenia niestabilność położenia wiązki uszkodzenia elementów optycznych (kurz!) Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 14 / 24

Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 15 / 24

P RF 30 W η I = 86 % P I = 150 W f AOM = 40 MHz Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 15 / 24

Newport XMS100 z silnikiem liniowym powtarzalność: < 500 nm P RF 30 W η I = 86 % P I = 150 W f AOM = 40 MHz Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 15 / 24

2D MOT dla 87 Rb spowalniacz zeemanowski szybkość ładowania: 2 10 10 at/s Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 16 / 24

lokalnie ciemny MOT czas ładowania: 0.5...2.0 s pompowanie optyczne do F = 1 Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 16 / 24

pułapka dipolowa w 0 = 50 µm, z R = 7 mm po 50 ms: N at = 3 10 7 at., ρ = 5 10 12 at/cm 3 U depth = 3 mk dla 80 W η U depth /k BT U depth P, T P 1/2 η P 1/2 po kompresji: P 40 W schemat 1: η = 13 schemat 2: η = 50 Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 16 / 24

standardowe obrazowanie absorpcyjne pomiary TOF (do 30 ms) Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 16 / 24

BEC t tot = 5 s t evap = 3 s w 0II = 200 µm Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 17 / 24

d = 4.5 cm r cloud 1 mm 4τ 4T 0 T i = 30 µk T f = 20 µk N i = 2N f = 6 10 6 at. Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 18 / 24

d = 4.5 cm r cloud 1 mm 4τ 4T 0 T i = 30 µk T f = 20 µk N i = 2N f = 6 10 6 at. schemat 2 4τ = 600 ms T 90 µk A 1 mm Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 18 / 24

demonstracja mechaniczna wahadło i kamera umieszczone na stoliku przesuwnym profil prędkości typu Λ-V Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 19 / 24

schemat 1 rozmiar chmury: z = 2.4 mm przed kompresją: T 0 = 27 µk po kompresji: T i = 160 µk grzanie chmury: T f = 1.1T i (ω 0τ 2π) N at = 2 10 6 at. efektywność: 90% schemat 2 rozmiar chmury: z = 1.2 mm przed kompresją: T 0 = 3.7 µk po kompresji: T i = 43 µk grzanie chmury: T f = 1.75T i (ω 0τ 2π) N at = 6 10 6 at. efektywność: 90% Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 20 / 24

minima dyfrakcyjne ω 0τ = 2pπ, p N τ = pt 0 Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 21 / 24

minima dyfrakcyjne τ T 0 τ T 0 Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 22 / 24

minima interferencyjne ω 0τ = (2p + 1)π, p N τ = (2p + 1)/2T 0 Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 23 / 24

schemat 1: A 0 dla ω 0τ = 3π schemat 2: A = 0 dla ω 0τ = 3π Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 24 / 24

schemat 1: A 0 dla ω 0τ = 3π schemat 2: A = 0 dla ω 0τ = 3π dla tłumienia 2mγż otrzymujemy (γτ 1): minima dyfrakcyjne : min(a) A 0γ 3 τ 3 /2 minima interferencyjne : min(a) 2 2A 0γτ Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 24 / 24

schemat 1: A 0 dla ω 0τ = 3π schemat 2: A = 0 dla ω 0τ = 3π dla tłumienia 2mγż otrzymujemy (γτ 1): minima dyfrakcyjne : min(a) A 0γ 3 τ 3 /2 minima interferencyjne : min(a) 2 2A 0γτ podobne wnioski: dla profilu prędkości typu Λ-Λ A = 0 może zostać przywrócone nawet w obecności tłumienia, poprzez korekcję profilu prędkości można wyliczyć bardziej skomplikowane profile prędkości, prowadzące do bardzo płaskich minimów Tomasz Kawalec ZOA 5 listopada 2007 24 / 24