 Podsumowanie W12 Lasery w spektroskopii atomowej/molekularnej a) spektroskopia klasyczna b) spektroskopia bezdopplerowska nasycenie selekcja prędkości  Spektroskopia nasyceniowa - wiązki pompująca & próbkująca – oddz. selektywne prędkościowo  widma bezdopplerowskie 0 Laser T D   0 kz Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 13

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 (+) ħ2 ħ1 E2 – E1= ħ(1+ 2) Ef. Dopplera + Założenie 1= 2=  21 2 N2() = ħ(2 – 2k•)   = ħ(2 + 2k•) 21 2 N2() = ħ(2 + k• – k•) = 2 ħ   kompensacja ef. D. niezależnie od  ! 21 2 N2() wszystkie atomy dają wkład  nadrabiane małe prawdopodobieństwo Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 13

widma H i Ly (przes. Lamba 1S) Równoczesny pomiar widma H i Ly (przes. Lamba 1S) 1 2 3 4 5  2S 2P 486 243 121.5 laser N2 laser barwnikowy 2 x  H 243 nm ampl. 486 nm skala częstości H Ly H Ly S=816129 MHz Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 13

Pułapki jonowe i atomowe po co? Spowolnienie - eliminacja rozszerzeń: Dopplerowskiego, zderzeniowego, przez skończony czas oddz. Lokalizacja w określonym miejscu i warunkach – możliwość bezpośr. adresowania i badania nawet pojedynczych atomów Pojedyncze/liczne atomy w jamie pot.  kwantyzacja ruchu, stan podstawowy, degeneracja kwantowa Pułapkowanie jonów:  Pułapka Penninga (1936) - siły kulombowskie  B (1T) linie ekwipotencjalne + _ 1-100 V Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 13

ruch jonów/elektronów w pułapce Penninga: z orbita cyklotronowa c=eB/mc  B e, m r drgania osiowe orbita magnetronowa m=cEr/Br z<<m<<c Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 13

(wspólnie z H. Dehmeltem Pułapka Paula 1989 W. Paul (wspólnie z H. Dehmeltem i N. Ramseyem) obserwacja jonów: pojedyncze jony – odparowanie (71 szt): Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 13

Eksperymenty z pojedynczymi jonami obraz jonu jon Liniowa pułapka jonowa  q. computing ? Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 13

pojed. elektron w pułapce Przeskoki kwantowe 1989 H. Dehmelt Mech. Kw. przewiduje eksponencjalną lub periodyczną zal. Pif(t), ale to dotyczy prawdopodobieństw. W konkretnej realizacji nieciągłe przeskoki kwantowe pojed. elektron w pułapce – atom geonium Pomiar g-2 (QED) 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 13

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 13

Spowalnianie i pułapkowanie atomów światłem siły optyczne: siła spontaniczna (siła ciśnienia światła) Frp  przekaz pędu (ciśnienie światła) siła dipolowa (reaktywna) – klas. wciąganie dielektryka (>0, n>1) do pola el. (niejednorodnego) atom może mieć n 1 < > siła Fd 0 wartość siły rezonansowo zależy od  (Fd nierez.)  < 0 vz Frp Fd -||/k k Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 13

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 13

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 13

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 13

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 13

? 1-D  3-D I Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 13

   Pomiar temperatury: czas przelotu N  106 at. Rb85, T  100 K Pomiar temperatury:    Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 13

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 13

(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 13