 Podsumowanie W12

Podsumowanie W12

 Lasery w spektroskopii atomowej/molekularnej

b) spektroskopia bezdopplerowska

1. Spektroskopia nasyceniowa

- wiązki pompująca & próbkująca – oddziaływanie selektywne prędkościowo  widma bezdopplerowskie

• nasycenie

• selekcja prędkości

2. Spektroskopia dwufotonowa

- kompensacja przesunięć dopplerowskich związanych z wiązkami przeciwbieżnymi

 Wielkie eksperymenty fizyki atomowej

-pomiar przesunięcia Lamba podstawowego stanu wodoru (równoczesny pomiar widm linii Ly_ i H_ – „autokalibracja” energii przejść)

ħ(2 + k• – k•) = 2ħ

21 2

N₂()

₀ _Laser T

_D

 

k

L

0



k

L

0



2

1 N

N 



0 k_z



Równoczesny pomiar widma H

i Ly

(przes. Lamba 1S)

S=816129 MHz

1 2 3 4 5



2S 2P

486

243

243

121.5

H

Ly

laser N

laser barwnikowy

2 x 

H

H

243 nm 243 nm

ampl.

486 nm

H

Ly

skala częstości

Pułapki jonowe i atomowe

• po co?

Pułapkowanie jonów:





B (1T)

_ +

1-100 V

• Spowolnienie - eliminacja rozszerzeń:

Dopplerowskiego, zderzeniowego i przez skończony czas oddział.

• Lokalizacja w określonym miejscu i warunkach – możliwość bezpośr. adresowania i badania nawet pojedynczych atomów

• Pojedyncze/liczne atomy w jamie potencjału  kwantyzacja ruchu, stan podstawowy, degeneracja kwantowa

linie ekwipotencjalne

r

e, m

z

cyklotronowa

_c=eB/mc

drgania osiowe

2 2 0 2

0 0

) 2

( z

m

eV

z  

 

orbita

magnetronowa

_m=cE_r/Br

_z<<_m<<_c



B

pułapce Penninga:

ruch jonów/elektronów w

Pułapka Paula

1989 W. Paul

(wspólnie z H. Dehmeltem i N. Ramseyem)

obserwacja jonów:

pojedyncze jony – odparowanie (7

1 szt):

Eksperymenty z pojedynczymi jonami

obraz jonu jon

Liniowa pułapka jonowa  q. computing ?

Przeskoki kwantowe

H. Dehmelt

Mech. Kwant. przewiduje eksponencjalną lub periodyczną zależność P

(t), ale to dotyczy prawdopodobieństw. W konkretnej realizacji nieciągłe przeskoki kwantowe

Obserwacja

– 1 atom (jon) z przejściem dozwolonym i wzbronionym ze stanu podst., wzbudzanymi jednocześnie dwiema wiązkami świetlnymi:

1 kwant niebieski steruje strumieniem fotonów fioletowych:

I

czas

pojedynczy elektron w pułapce – atom geonium

Pomiar g-2 (QED)

w National Phys. Lab. Teddington (U.K.)

 „global atomic clock” (Dehmelt) przy pomocy

elektrycznego oktupolowego promieniowania (E3) Zderzenia  pojedynczy jon Yb

w pułapce Paula



2S_1/2

2P_1/2

2D_5/2

2F_7/2

Yb

lat τ  5.4

^-1  10^-10 s

5 15 10



# skoków

270 271 272 273 MHz 1

2 3

1



# skoków

-504 -502 -500 -498 MHz

172

Yb

171

Yb

Linie widmowe E3:

Eksperyment

Spowalnianie i pułapkowanie atomów światłem

• atom może mieć n 1 > <

• siła F

0 (wciąga lub wypycha) > <

• wartość siły rezonansowo

zależy od  (F

nierezonansowo)

 < 0

0 v_z F_rp

F_d

-||/k

k )

( 1

/ ) v (

) ) (

v

2 ( k ^{2 2} G r

r k G

Fd    

 





 ^







• siła dipolowa (reaktywna) – klasyczne wciąganie dielektryka (>0, n>1) do pola el.

(niejednorodnego) siły optyczne:

• siła spontaniczna (siła ciśnienia światła) F

 przekaz pędu (ciśnienie światła)

IS

r I r

E (r) D

G ( ) ( )

2

1 ²

 



 



  

 ) 

( 1

/ ) v (

) (

2

2 G r

k

r k G

Frp     



 

   ⁰





Podstawy chłodzenia i pułapkowania atomów światłem laserowym –

1997 

CHŁODZENIE ATOMÓW FOTONAMI

(siły spontaniczne):

M=23,  = 590 nm v = 600 m/s (@ 400 K)

p =  ħ k

-  ħ k

= N ħ k

– 0

po zabsorbowaniu 1 fotonu:

v_R = ħk/M = 3 cm/s wiązka lasera wiązka atomów

20 000 fotonów do zatrzymania

@ I = 6 mW/cm²

czas zatrzymania: 1 ms droga hamowania: 0,5 m przyspieszenie: 10⁶ m/s²

Jak chłodzić atomy?

Fotony pochłonięte mają energię mniejszą niż reemitowane

 opóźniająca siła (chłodzenie)

dwie przeciwbieżne wiązki laserowe

(ta sama częstość;



< 





_L

Dla _L< ₀, efekt Dopplera dostraja atomy do rezonansu z przeciwbieżnymi wiązkami

₀



siła

GAZ ATOMOWY ?

) ( 1

/ ) v (

) (

2

2 G r

k

r k G

Frp     



  ^ _



k k

-||/k 0 /k v_z

siła

Dla małych prędkości:

F  -v

„lepkość”  OPTYCZNA MELASA

zerowa siła dla v=0

chłodzenie

Wypadkowa siła:

zimne atomy?

ħ

m=+1

m=–1 m=0

B(x)

x=0 x

F(x)  -x

 siła zależna od położenia:

pułapka atomowa



 ^-

Jak pułapkować

?

I

1-D  3-D

 

czas przelotu

 0

N  10

at. Rb

, T  100  K

@ T  0,0001 K



 30 cm/sek

Pomiar temperatury:

A) temperatury

chłodzenie

 p = N ħ k

0



grzanie 

 0

k

T

=D/k=ħ /2

(Na: 240  K, Rb: 140  K)



= 10

– 10

at/cm

k_abs

k_em

uwięzienie promieniowania

B) gęstości atomów

Ograniczenia ?

(reaktywne – nie chłodzą!) Siły dipolowe

) ( 1

/ ) v (

) ) (

v

2 ( k ^{2 2} G r

r k G

Fd    

 





 ^







pole E  polaryzacja ośrodka: D

=  E

 oddz. D

E = - E

 I(r)   0

adresowanie q-bitów ?

<

>

0

k_BT

I(r)

U(r)

r

 > 0

0

I(r)

U(r)

r

 < 0