Streszczenie W13 2017 Atomowa JZ wg. WG pułapki jonowe: – siły Kulomba  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 467 nm 369 nm 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) 2017 Atomowa JZ wg. WG

   Pomiar temperatury: czas przelotu 2017 Atomowa JZ wg. WG N  106 at. Rb85, T  100 K Pomiar temperatury: czas przelotu @ T  0,0001 K atom  30 cm/sek    2017 Atomowa JZ wg. WG

Ograniczenia ? A) temperatury B) gęstości atomów chłodzenie - p = NħkL średnia prędkość = 0 absorpcja - em. spontaniczna  grzanie  dyfuzja pędu dyspersja prędkości  0 kBTD=D/k=ħ/2  granica Dopplera   (Na: 240 K, Rb: 140 K) kabs kem   uwięzienie promieniowania B) gęstości atomów max = 1011 – 1012 at/cm3 2017 Atomowa JZ wg. WG

(reaktywne – nie chłodzą!) Siły dipolowe (reaktywne – nie chłodzą!) pole E  polaryzacja ośrodka: Dind=  E  oddz. D • E = - E2  I(r)   0 < > adresowanie q-bitów ? kBT I(r) U(r) r  > 0 I(r) U(r) r  < 0 2017 Atomowa JZ wg. WG

Jeszcze niższe temperatury niż w MOT? emisja spont. ~100 - 10 K limit „ciemne pułapki” – bez światła optyczne U=-DE magnetyczne U=-B siły dipolowe nie chłodzą!  odparowanie  100 nK 100 K 300 K MOT MT 2017 Atomowa JZ wg. WG

III zasada termodynamiki Nie można osiągnąć Zera Absolutnego ! możemy się tylko zbliżać: 300 K  30 cm 100 K  10 cm 1 K  1 mm III zasada termodynamiki 2017 Atomowa JZ wg. WG

Obserwacja – diagnostyka: 400 nK 200 nK 50 nK kondensacja Bosego –Einsteina Rb87 1995 - E. Cornell & C. Wieman (JILA) Rb87 R. Hulet (Rice) Li7 W. Ketterle (MIT) Na23 kondensat Bosego-Einsteina (1924-25) bozony (F=0, 1, 2, ...) Charakterystyki kondensatu: wąskie maksimum w rozkładzie prędkości ampl. maksimum  gdy T kształt chmury odtwarza kształt studni potencjału Nobel 2001 2017 Atomowa JZ wg. WG

 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 2017 Atomowa JZ wg. WG

Kondensacja 1o 2017 Atomowa JZ wg. WG rozkład populacji dla bozonów: = energia,  = pot. chem. , = 1/kBT normalizacja liczby cząstek: ( = gęstość stanów energ.) poniżej temp. krytycznej:  całka << N,  większość cząstek w stanie podst. Ketterle, PRL 77, 416 (1996) 2017 Atomowa JZ wg. WG

Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie Kondensacja 2o Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie (Nobel 1929) fale materii: gęstość n, śr. odl. cząstek: n -1/3 degeneracja kwantowa, gdy Rzędy wielkości: gaz atomowy @ 900K, n  1016cm-3, n -1/3  10-7 m, dB  10-12 m dB << n -1/3 104 atomów w typowej pułapce: Tc ~ 100 nK dB  n -1/3  cały atom – bozon lub fermion (całkowity kręt! – np. F) atomy w pułapce: - poziomy energetyczne skwantowane - „efekt wysoko-temperaturowy”: 2017 Atomowa JZ wg. WG

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   Hel 4 atomy alkaliczne met. chłodzenia parowanie odparowanie rf liczba atomów 104 106 wielkość próbki [nm] 101 temperatura [K] 0,37 0,17 ·10-6 dB [Å] 30 6 ·104 gęstość [cm-3] 2,2 ·1022 1014 śr. odległość [nm] 0,35 100 en. oddziaływania [K] 20 2 ·10-10 Ciekły hel kontra gazowy BEC: 2017 Atomowa JZ wg. WG

Doświadczenia z BEC: Optyka fal materii (dB=h/mv) – Optyka Atomów spójne fale  interferencja ”laser atomowy” MIT NIST MPQ 2017 Atomowa JZ wg. WG

Optyka nieliniowa nieliniowe mieszanie fal:  kin = kout  in = out świetlnych (nieliniowość ośrodka mat.) b) fal materii (zawsze nieliniowe) BEC 1999 NIST (W. Phillips) & Marek Trippenbach (UW) 2017 Atomowa JZ wg. WG

boson/fermion, fermion/fermion Zimne fermiony (F=1/2, 3/2, 5/2, ...)  nie termalizują (zakaz Pauliego)  chłodzenie pośrednie boson/fermion, fermion/fermion  1999 D. Jin (JILA) K40 2001 R. Hulet (Rice)  2017 Atomowa JZ wg. WG

Fizyka ultra-rzadkiej materii skondesowanej : * sieci optyczne: 1D 3D * Nadciekłość Wiry: 2017 Atomowa JZ wg. WG

* Oscylacje Josephsona Fizyka ultra-rzadkiej materii skondesowanej : * Oscylacje Josephsona V1 BEC Thermal cloud [LENS – Florencja] V2 2017 Atomowa JZ wg. WG

* Przejście fazowe Motta 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] 2017 Atomowa JZ wg. WG

micro – BEC (Garching & Tubingen) 6000 87Rb atomów czas ładowania 8 s czas chłodzenia 2,1 s prąd 2A 2017 Atomowa JZ wg. WG

“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) 2017 Atomowa JZ wg. WG

Tematy pytań na egzamin   Model Bohra, liczby kwantowe. Stabilność orbit atomowych a relacja nieoznaczoności. Defekt kwantowy, poziomy energetyczne atomów wieloelektronowych. Przybliżenie pola centralnego. Kolejność zapełniania powłok elektronowych, układ okresowy pierwiastków. Efekty wymiany, poziomy energetyczne atomu helu. Struktura subtelna, oddziaływanie spin-orbita, sprzężenie L-S i j-j. Podstawy modelu wektorowego, zastosowanie do ef. Zeemana, czynnik Landego Poprawki relatywistyczne do energii poziomów atomowych. Magnetyzm atomowy, efekty Zeemana i Paschena-Backa, pola pośrednie. Struktura nadsubtelna, efekt izotopowy, ef. Backa-Goudsmita. Atom w polu elektrycznym. Struktura poziomów energetycznych i widma cząsteczek. Przybliżenie dipolowe, reguły wyboru. Stany niestacjonarne, rezonans optyczny, polaryzacja w ef. Zeemana. Doświadczenie Francka-Hertza (jak i po co?). Doświadczenie Sterna-Gerlacha (jak i po co?). Doświadczenie Lamba-Retherforda (jak i po co?). Ograniczenia dokładności pomiarów spektroskopowych i sposoby ich eliminacji. Pompowanie optyczne (podstawy i zastosowania). Efekty interferencji stanów atomowych (przecięcia poziomów energet., dudnienia kwantowe, prążki Ramseya). Spektroskopia laserowa, nasycenie i selekcja prędkości i ich zastosowania do eliminacji rozszerzenia dopplerowskiego. Pomiar przesunięcia Lamba stanu 1S (dlaczego i jak?) Pułapki jonowe (jak i po co?). Przeskoki kwantowe i ich obserwacja. Siły optyczne, chłodzenie i pułapkowanie neutralnych atomów. Atomy bozonowe i fermionowe w ultra niskich temperaturach. Tematy pytań na egzamin 2017 Atomowa JZ wg. WG