2018 Atomowa JZ wg. WG 1/20
Streszczenie W13
• pułapki jonowe: – siły Kulomba 9 pułapki Penninga, Paula
9 kontrolowanie pojedynczych atomów
→ zastosowanie w komputerach kwantowych?
→ przeskoki kwantowe
(obserw. na żywo emisji/abs. pojed. fotonów w pojed. atomach) G pojedyncze jony mogą być pułapkowane i oglądane
• 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)
467 nm 369
nm
I
czas
2018 Atomowa JZ wg. WG 2/20
I I
czas przelotu
! 0
N ≈ 10
6at. Rb
85, T ≈ 100 µK
@ T ≈ 0,0001 K υ
atom≈ 30 cm/sek
Pomiar temperatury:
2018 Atomowa JZ wg. WG 3/20 A) temperatury
chłodzenie - Δp = N ħ k L średnia prędkość = 0
absorpcja - em. spontaniczna
⇓
grzanie ⇐ dyfuzja pędu dyspersja prędkości ≠ 0
k
BT
D=D/k=ħΓ/2
← granica Dopplera
(Na: 240 µK, Rb: 140 µK)
ρ
max= 10
11– 10
12at/cm
3k
absk
emuwięzienie promieniowania
B) gęstości atomów
Ograniczenia ?
2018 Atomowa JZ wg. WG 4/20
(reaktywne – nie chłodzą!) Siły dipolowe
) ( 1
/ ) v (
) ) (
v
2 ( k
2 2G r
r k G
F
d+ +
⋅
−
⋅ ∇
−
−
= " δ ! ! δ ! ! γ
pole E → polaryzacja ośrodka: D
ind= α E
→ oddz. D • E = - αE
2∝ I(r) G α 0 > < adresowanie q-bitów ?
0
kBT
I(r)
U(r)
r
α > 0
0
I(r)
U(r)
r
α < 0
2018 Atomowa JZ wg. WG 5/20 emisja spont. ~100 - 10 µK limit
optyczne U=-D
•E magnetyczne U=- µ
•B
100 nK 100 µK
300 K
MOT MT
Jeszcze niższe temperatury niż w MOT?
siły dipolowe nie chłodzą! → odparowanie
F
„ciemne pułapki” – bez światła
2018 Atomowa JZ wg. WG 6/20
Nie można osiągnąć Zera Absolutnego !
możemy się tylko zbliżać:
300 µK ↔ 30 cm 100 µK ↔ 10 cm 1 µK ↔ 1 mm
III zasada termodynamiki
2018 Atomowa JZ wg. WG 7/20
1995 -
• E. Cornell &
C. Wieman (JILA) Rb
87• R. Hulet (Rice) Li
7• W. Ketterle (MIT) Na
23kondensat Bosego-Einsteina
(1924-25) bozony (F=0, 1, 2, ...)
400 nK
200 nK
50 nK
kondensacja Bosego –Einsteina
Rb
87Nobel 2001
Charakterystyki kondensatu:
• wąskie maksimum w rozkładzie prędkości
• ampl. maksimum ä gdy Tæ
• rozkład bimodalny
Obserwacja – diagnostyka:
2018 Atomowa JZ wg. WG 8/20 1911 Władysław Natanson
nierozróżnialność fotonów, rozkład energii fotonów we wnęce w równowadze termodynamicznej
(J. Spałek, Postępy Fizyki 2005)
1924 Satyendranath Bose
wyprowadził prawo Plancka z zasad fiz. statystycznej
1925 Albert Einstein
uogólnił do cząstek z masą, przejście fazowe w niskich temp.
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
początki Kondensat B-E -
Kondensacja Bosego-Einsteina (BEC)
2018 Atomowa JZ wg. WG 9/20
ε= energia, µ = pot. chem. , β = 1/k
BT
1 ) (
exp ) 1
( = − −
µ ε
ε β f
rozkład populacji dla bozonów:
poniżej temp. krytycznej:
→ całka << N,
→ większość cząstek w stanie podst.
∑
=
ε
ε ) ( f N
(ρ(ε) = gęstość stanów energ.)
ε ε ρ
∫ ε
∞
+
=
0
0
f ( ) ( ) d
N N
Kondensacja 1 o
Ketterle, PRL 77, 416 (1996)
normalizacja liczby cząstek:
2018 Atomowa JZ wg. WG 10/20 T
mk
BdB
2 π !
2λ =
fale materii:
gęstość n, śr. odl. cząstek: n
-1/3degeneracja kwantowa, gdy n
−1/3≈ λ
dB( T )
Rzędy wielkości:
gaz atomowy @ 900K, n ≈ 10
16cm
-3, n
-1/3 ≈10
-7m, λ
dB≈ 10
-12m λ
dB<< n
-1/310
4atomów w typowej pułapce: T
c~ 100 nK λ
dB≈ n
-1/3Kondensacja 2 o
F • cały atom – bozon lub fermion (całkowity kręt! – np. F)
• atomy w pułapce:
- poziomy energetyczne skwantowane
- „efekt wysoko-temperaturowy”: k
BT >> ! ω
Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie
(Nobel 1929)
2018 Atomowa JZ wg. WG 11/20
• dostępność doświadczalna (chłodzenie, obserwacja)
• słabe oddziaływania między atomami ~10
-6cm zasięg oddz.
~10
–4cm odl. międzyatomowe
• kondensacja w przechłodzonym gazie
BEC w atomach alkalicznych
Hel 4 atomy alkaliczne
met. chłodzenia parowanie odparowanie rf
liczba atomów 10
410
6wielkość próbki [nm] 10
110
4temperatura [K] 0,37 0,17 ·10
-6λ
dB[Å] 30 6 ·10
4gęstość [cm
-3] 2,2 ·10
2210
14śr. odległość [nm] 0,35 100
en. oddziaływania [K] 20 2 ·10
-10Ciekły hel kontra gazowy BEC:
- główne cechy:
2018 Atomowa JZ wg. WG 12/20 Optyka fal materii (λ dB =h/mv) – Optyka Atomów
spójne fale
→ interferencja
MIT
→”laser atomowy”
MPQ NIST
Doświadczenia z BEC:
2018 Atomowa JZ wg. WG 13/20 nieliniowe mieszanie fal:
Σ k in =Σ k out Σ ω in =Σ ω out
a) świetlnych
(nieliniowość ośrodka mat.)
1999 NIST (W. Phillips)
& Marek Trippenbach (UW) b) fal materii (zawsze nieliniowe)
BEC
Optyka nieliniowa
2018 Atomowa JZ wg. WG 14/20
L nie termalizują (zakaz Pauliego)
(F=1/2, 3/2, 5/2, ...)
chłodzenie pośrednie ↓
boson/fermion, fermion/fermion
2001 R. Hulet (Rice)
F
J 1999 D. Jin (JILA) K 40
Zimne fermiony
2018 Atomowa JZ wg. WG 15/20
Fizyka ultra-rzadkiej materii skondesowanej :
* Nadciekłość
Wiry:
* sieci optyczne: 1D 3D
2018 Atomowa JZ wg. WG 16/20
V2 V1
BEC
Thermal cloud
[LENS – Florencja]
Fizyka ultra-rzadkiej materii skondesowanej :
* Oscylacje Josephsona
2018 Atomowa JZ wg. WG 17/20
[MPQ – Garching]
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
2018 Atomowa JZ wg. WG 18/20 6000 87 Rb atomów
czas ładowania 8 s czas chłodzenia 2,1 s prąd 2A
micro – BEC (Garching & Tubingen)
2018 Atomowa JZ wg. WG 19/20
“Całkowicie optyczny” kondensat
May 2001, M. Chapman (GeorgiaTech)
Optyczna pułapka dipolowa U= -D
•E (światło nierezonansowe, aby uniknąć em. spont.)
różne stany magnetyczne (dośw. Sterna-Gerlacha)
2018 Atomowa JZ wg. WG 20/20
1. Model Bohra-Sommerfelda, liczby kwantowe.
2. Atom wodoru –podejście algebraiczne, własnościi znaczenie wektora Rungego-Lenza 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, liniowy I kwadratowy efekt Starka 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. Kondensat 28. Sieci optyczne, symulatory kwantowe
Tematy pytań na egzamin