Podsumowanie ostatniego wykładu

Podsumowanie ostatniego wykładu

• Obserwacja przejść rezonansowych wymuszonych przez pole EM jest możliwa tylko, gdy istnieje różnica populacji. Tymczasem w zakresie fal radiowych poziomy są prawie jednakowo obsadzone.

• Wygodną metodą wytwarzania nierównowagowych rozkładów populacji jest pompowanie optyczne (zasada zachowania krętu w oddz. atom-pole).

• Pompowanie optyczne umożliwia wytwarzanie makroskopowej magnetyzacji gazów atomowych (cząsteczkowych) oraz czułą detekcję przejść

rezonansowych (podwójny rezonans).

• Interferencja kwantowa stanów atomowych

-) umożliwia pomiar struktur poz. energetycznych (dudnienia kwantowe, spektroskopia przecinania poziomów) oraz czasów życia stanów

atomowych (skrzyżownie poziomów w zerowym polu – ef. Hanlego) -) jest podstawą metody Ramseya dla pomiarów spektroskopowych bez

poszerzenia przez czas przelotu

-) analogia do interferencji w klasycznej optyce falowej (dośw.

Younga, interferometr Macha-Zehndera)

Spektroskopia laserowa

spektroskop/

monochromator

za co kochamy lasery?

- monochromatyczność - kolimacja

- spójność

- intensywność (spektralna i przestrzenna gęstość energii)

ħw

-ogranicz. zdoln.

rozdz. (szer.instr.) -ogr. czułość

(droga opt.)

w

I

w

T

Lasery – 1965: Basow, Prochorow, Townes

np. widmo Fraunhoffera Zastosowania w klasycznej spektroskopii np. absorpcyjnej:

T = I

I

= e

detektor próbka

źródło – lampa spektr.

Ch.H. N.G. A.M.

Townes, Basow, Prochorow

Lasery w spektroskopii klasycznej

w

T

l

w

T

l

detektor próbka

lampa spektr.

spektroskop/ monochromator

• monochromatyczność

®

zwiększenie zdolności rozdziel.

(D

w

®

w

detektor próbka

laser przestraj.

• kolimacja

®

czułości (drogi opt.)

Laserowa spektroskopia bezdopplerowska

1. Spektroskopia nasyceniowa 2. Spektroskopia dwufotonowa

1981, N. Bloembergen, A. Schawlow

2

1 N

N - k µ

Nasycenie:

•słabe pole EM (mało fotonów/sek)

•silne pole EM (dużo fotonów/sek)

Þ śr. populacje

rozproszenie fot. ® fluorescencja

® spektro. emisyjna ubytek fotonów ® spektro.abs.

e

I

I

0

l k

=

k₀

0 0 I I I

= + a k( ) k⁰

Þ śr. populacje

oscylacje Rabiego

Nasycenie absorpcji (przejścia) przez silne pole Þ próbka prawie przezroczysta =

P

= ρ

= Ω

/ 4

Δ

+ (Γ/ 2)

+ Ω

/ 2

P

= ρ

= Ω

/ 4

Δ

+ (Γ/ 2)

+ Ω

/ 2

Selekcja prędkości

w₀ w_Lab

u w

w ® - k ^! × ^!

ef. Dopplera:

rozszerzenie dopplerowskie

2

÷÷ ø ö çç

è æ

D - D

e ^wD

w

w₀ w_Lab w₀ w_Lab

®u

2 2

0

) 1 (

1 2

) 1 (

÷ø ç ö è +æ -

® =

w t

t w

f

i t

prawdopodobieństwo absorpcji fotonu P

M T ku 2k^B

=

Selekcja prędkości – c.d.

0 ku_z N₂(u_z)

2

÷÷ø çç ö

è -æ

ku k _z

e

u

T k

E

e B

N

N ^{- D}

=

1 2

k

L z

w

u

w

• słabe pole

nasycenie wybranej wybranej grupy atomów

0 ku_z N₁(u_z)

• silne pole

0 ku_z N₂(u_z)

0 ku_z N₁(u_z)

dla wiązki o częstości w_L w rezonansie są

atomy o prędkości

(selekcja prędkości)

Lamb dip

• gdy 1 wiązka laserowa przestrajana wokół w₀

• gdy 2 wiązki (słaba + silna)

Wzmac. fazoczuły

detektor próbka

laser przestrajalny

w. próbkująca (–k) w. nasycająca (+k)

1 wiązka

2

1 N

N - k µ

w₀ w

T 0 ku_z

® nasycane różne klasy prędkości Þ zmniejszenie kontrastu widma abs.

i poszerzenie linii bo

k

L

z -

= w -w⁰

u k

L

z +

= w -w⁰ u

w

^k

w

w

T

2 1 N N - k µ

0 ku_z

k k j j

Eliminacja poszerzenia dopplerowskiego:

1. Spektroskopia saturacyjna

³1/t

D

w

kalibracja skali !!!

0

=0=

+k –k

2. Spektroskopia dwufotonowa

Reguły wyboru dla jednofotonowych przejść E1 (El-dipol.)

® zmiana parzystości

między stanami o tym samym l potrzeba 2n fotonów

® małe prawdopodobieństwo

– możliwe tylko dla silnych pól EM

Parity 2 (+)

1 (+)

ħw₂ ħw₁

E₂ – E₁= ħ(w₁+ w₂) Ef. Dopplera + Założenie w₁= w₂= w

w21 2w N₂(w)

w21 2w N₂(w)

G kompensacja ef. D. niezależnie od ^u !

= ħ(2w – 2k•u)

= ħ(2w + 2k•u)

= ħ(2w + k•u – k•u) = 2 ħ w

wszystkie atomy dają wkład ®

nadrabiane małe prawdopodobieństwo

w 2w

N₂(w)

®u

Wielkie eksperymenty, c.d. – pomiar przes. Lamba 1S

3 2 4

2 ) (

n mc C Z

E

p a

= a D

w stanie 1S przesunięcie 8x większe!

ale brak poziomu „referencyjnego”

w dośw. L.-R. pomiar względny:

przesunięcie 2S wzgl. 2P

Ly_a H_a H_b

G wzór Balmera –

duże regularności widm:

n

E R

n

= -

w_Ly= 4w_H

l(Ly_a) = 121,5 nm l(H_b) = 486 nm Þ „autokalibracja” widm:

4 l(Ly_a) = l(H_b)

Równoczesny pomiar widma H

i Ly

(przes. Lamba 1S)

S=8161±29 MHz

1 2 345

¥

2S 2P

486

243

243

121.5

H_b Lya

laser N₂ laser barwnikowy

2 x w

H

H

243 nm 243 nm ampl.

486 nm

H_b Lya

skala częstości

Pułapki jonowe i atomowe

• po co?

Pułapkowanie jonów:

F

®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

w_c=eB/mc

drgania osiowe

2 2 0 2

0 0

) 2

( z

m

eV

z = +

w r

orbita

magnetronowa

w_m=cE_r/Br

w_z<<w_m<<w_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_if(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_det

czas

pojedynczy elektron w pułapce

– atom geonium

Pomiar g-2 (QED)

Spowalnianie i pułapkowanie atomów światłem

• atom może mieć n 1><

• siła F_d> <0 (wciąga lub wypycha)

• wartość siły rezonansowo

zależy od d (F_d nierezonansowo)

d < 0

0 v_z

F_rp F_d

-|d|/k

k )

( 1

/ ) v (

) ) (

v

2 ( k ^{2 2} G r

r k G

Fd - × + +

× Ñ -

-

= " d ! ! d ! _! g

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

(niejednorodnego) siły optyczne:

• siła spontaniczna (siła ciśnienia światła) F_rp Ü przekaz pędu (ciśnienie światła)

IS

r I r

E (r) D

G ( ) ( )

2

1 ÷÷² = ø çç ö

è

= æ ×

!g )

( 1

/ ) v (

) (

2

2 G r

k

r k G

Frp = - × + +

g g d ! _!

" d =w -w⁰

t g =1