Streszczenie W13 Spektroskopia nasyceniowa selekcja prędkości + nasycenie 0 Laser T D 0 kz Spektroskopia dwufotonowa Parity 2 (+) 1 (+) ħ2 ħ1 = ħ(2 + k• – k•) = 2 ħ 21 2 N2() Pułapki jonowe: – siły Kulomba pułapki Penninga, Paula pojedyncze jony mogą być pułapkowane i oglądane Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
Przeskoki kwantowe Obserwacja 1989 H. Dehmelt Mech. Kwant. przewiduje eksponencjalną lub periodyczną zależność Pif(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: Idet czas Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
w National Phys. Lab. Teddington (U. K w National Phys. Lab. Teddington (U.K.) „global atomic clock” (Dehmelt) przy pomocy elektrycznego oktupolowego promieniowania (E3) Zderzenia pojedynczy jon Yb+ w pułapce Paula Eksperyment 467 nm 369 nm 2S1/2 2P1/2 2D5/2 2F7/2 Yb+ -1 10-10 s 5 15 10 L # skoków 270 271 272 273 MHz 1 2 3 -504 -502 -500 -498 MHz 172 Yb+ 171 Yb+ Linie widmowe E3: Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
20 000 fotonów do zatrzymania Jak chłodzić atomy? Podstawy chłodzenia i pułapkowania atomów światłem laserowym – 1997 S.Chu,C.Cohen-Tannoudji,W.Phillips CHŁODZENIE ATOMÓW FOTONAMI (siły spontaniczne): atomy sodu: M=23, = 590 nm v = 600 m/s (@ 400 K) wiązka lasera wiązka atomów po zabsorb. 1 fotonu: vR = ħk/M = 3 cm/s 20 000 fotonów do zatrzymania @ I = 6 mW/cm2 czas zatrzymania: 1 ms droga hamowania: 0,5 m przyspieszenie: 106 m/s2 p = ħ kabs - ħ kem = N ħ kL – 0 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
GAZ ATOMOWY ? dwie przeciwbieżne wiązki laserowe (ta sama częstość; L < 0) 0 L L Dla L< 0, efekt Dopplera dostraja atomy do rezonansu z przeciwbieżnymi wiązkami 0 L siła Fotony pochłonięte mają energię mniejszą niż reemitowane opóźniająca siła (chłodzenie) Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
Wypadkowa siła: F -v siła chłodzenie Dla małych prędkości: vz siła Dla małych prędkości: F -v chłodzenie „lepkość” OPTYCZNA MELASA zerowa siła dla v=0 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
B(x) zimne atomy? Jak pułapkować + - siła zależna od położenia: pułapka atomowa F(x) -x siła zależna od położenia: Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
? 1-D 3-D I Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
Pomiar temperatury: czas przelotu N 106 at. Rb85, T 100 K Pomiar temperatury: Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
Ograniczenia ? A) temperatury B) gęstości atomów chłodzenie - p = NħkL średnia prędkość = 0 absorpcja - em. spont. 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 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
(reaktywne – nie chłodzą!) Siły dipolowe 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 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
Jeszcze niższe temperatury niż w MOT? emisja spont. ~100 - 10 K limit „ciemne pułapki” – bez światła optyczne U=-DE magnetyczne U=-B siły dipolowe nie chłodzą! odparowanie 100 nK 100 K 300 K MOT MT Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
III zasada termodynamiki Nie można osiągnąć Zera Absolutnego ! III zasada termodynamiki możemy się tylko zbliżać: 300 K 30 cm 100 K 10 cm 1 K 1 mm Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
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 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
Kondensacja 1o rozkład populacji dla bozonów: = energia, m = pot. chem. , b = 1/kBT normalizacja liczby cząstek: (r(e) = gęstość stanów energ.) poniżej temp. krytycznej: całka << N, większość cząstek w stanie podst. Ketterle, PRL 77, 416 (1996) Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
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”: Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
Doświadczenia z BEC: Optyka fal materii (dB=h/mv) – Optyka Atomów spójne fale interferencja ”laser atomowy” MIT NIST MPQ Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
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) Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
Fizyka ultra-rzadkiej materii skondesowanej : * sieci optyczne: 1D 3D * Nadciekłość Wiry: Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
* 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] Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
micro – BEC (Garching & Tubingen) 6000 87Rb atomów czas ładowania 8 s czas chłodzenia 2,1 s prąd 2A Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
“Całkowicie optyczny” kondensat May 2001, M. Chapman (GeorgiaTech) Optyczna pułapka dipolowa U= -DE (światło nierezonansowe, aby uniknąć em. spont.) różne stany magnetyczne (dośw. Sterna-Gerlacha) Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14
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 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). 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 na egzamin Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 14