Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 141/20 Streszczenie W13 pułapki jonowe: – siły Kulomba  pułapki Penninga, Paula  kontrolowanie pojedynczych atomów  zastosowanie w komputerach kwantowych?  przeskoki kwantowe (obserw. na żywo emisji/abs. pojed. fotonów w pojed. atomach)  pojedyncze jony mogą być pułapkowane i oglądane 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) 467 nm 369 nm I czas

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 142/20   czas przelotu 0  N  10 6 at. Rb 85, T  100  T  0,0001 K  atom  30 cm/sek Pomiar temperatury:

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 143/20 A) temperatury chłodzenie -  p = N ħ k L średnia prędkość = 0 absorpcja - em. spontaniczna  grzanie  dyfuzja pędu dyspersja prędkości  0 k B T D =D/k=ħ  /2  granica Dopplera (Na: 240  K, Rb: 140  K)  max = – at/cm 3 k abs k em uwięzienie promieniowania B) gęstości atomów Ograniczenia ?

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 144/20 (reaktywne – nie chłodzą!) Siły dipolowe pole E  polaryzacja ośrodka: D ind =  E  oddz. D E = -  E 2  I(r)   0 adresowanie q-bitów ? < > 0 kBTkBT I(r) U(r) r  > 0 0 I(r) U(r) r  < 0

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 145/20 emisja spont. ~  K limit optyczne U=-D  E magnetyczne U=-   B 100 nK 100  K 300 K MOT MT Jeszcze niższe temperatury niż w MOT? odparowanie siły dipolowe nie chłodzą!  odparowanie „ciemne pułapki” – bez światła

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 146/20 Nie można osiągnąć Zera Absolutnego ! możemy się tylko zbliżać: 300  K  30 cm 100  K  10 cm 1  K  1 mm III zasada termodynamiki

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 147/ E. Cornell & C. Wieman (JILA) Rb 87 R. Hulet (Rice) Li 7 W. Ketterle (MIT) Na 23 kondensat Bosego-Einsteina ( ) bozony (F=0, 1, 2,...) 400 nK 200 nK 50 nK kondensacja Bosego –Einsteina Rb 87 Nobel 2001 Charakterystyki kondensatu: wąskie maksimum w rozkładzie prędkości ampl. maksimum  gdy T  kształt chmury odtwarza kształt studni potencjału Obserwacja – diagnostyka:

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 148/ Satyendranath Bose wyprowadził prawo Plancka z zasad fiz. statystycznej 1925 Albert Einstein uogólnił do cząstek z masą, przejście fazowe w niskich temp. 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 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 początki Kondensat B-E - Kondensacja Bosego-Einsteina (BEC) 

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 149/20  = energia,  = pot. chem.,  = 1/k B T rozkład populacji dla bozonów: poniżej temp. krytycznej:  całka << N,  większość cząstek w stanie podst. (  = gęstość stanów energ.) 1 o Kondensacja 1 o Ketterle, PRL 77, 416 (1996) Ketterle, PRL 77, 416 (1996) normalizacja liczby cząstek:

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 1410/20 fale materii: gęstość n, śr. odl. cząstek: n -1/3 degeneracja kwantowa, gdy Rzędy wielkości: dB << n -1/3 gaz 900K, n  cm -3, n -1/3  m, dB  m dB << n -1/3 dB  n -1/ atomów w typowej pułapce: T c ~ 100 nK dB  n -1/3 Rzędy wielkości: dB << n -1/3 gaz 900K, n  cm -3, n -1/3  m, dB  m dB << n -1/3 dB  n -1/ atomów w typowej pułapce: T c ~ 100 nK dB  n -1/3 2 o Kondensacja 2 o cały atom – bozon lub fermion (całkowity kręt! – np. F) atomy w pułapce: - poziomy energetyczne skwantowane - „efekt wysoko-temperaturowy”: Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie (Nobel 1929)

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 1411/20 dostępność doświadczalna (chłodzenie, obserwacja) słabe oddziaływania między atomami ~10 -6 cm zasięg oddz. ~10 –4 cm odl. międzyatomowe kondensacja w przechłodzonym gazie BEC w atomach alkalicznych BEC w atomach alkalicznych Hel 4atomy alkaliczne met. chłodzeniaparowanieodparowanie rf liczba atomów wielkość próbki [nm] temperatura [K]0,370,17 ·10 -6 dB [Å] 306 ·10 4 gęstość [cm -3 ] 2,2 · śr. odległość [nm]0,35100 en. oddziaływania [K]202 · Ciekły hel gazowy BEC: Ciekły hel kontra gazowy BEC: - główne cechy:

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 1412/20 Optyka fal materii ( dB =h/mv) – Optyka Atomów spójne fale  interferencja MIT  ”laser atomowy” MPQ NIST Doświadczenia z BEC:

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 1413/20 nieliniowe mieszanie fal:  k in =  k out   in =   out a)świetlnych (nieliniowość ośrodka mat.) 1999 NIST (W. Phillips) & Marek Trippenbach (UW) b) fal materii (zawsze nieliniowe) BEC Optyka nieliniowa

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 1414/20 nie termalizują (zakaz Pauliego) (F=1/2, 3/2, 5/2,...)  chłodzenie pośrednie boson/fermion, fermion/fermion 2001 R. Hulet (Rice) 2001 R. Hulet (Rice) 1999 D. Jin (JILA) K 40 Zimne fermiony

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 1415/20 Fizyka ultra-rzadkiej materii skondesowanej : * Nadciekłość Wiry: * sieci optyczne: 1D 3D

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 1416/20 V1 V2 BEC Thermal cloud [LENS – Florencja] Fizyka ultra-rzadkiej materii skondesowanej : * Oscylacje Josephsona

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 1417/20 [MPQ – Garching] 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

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 1418/ Rb atomów czas ładowania 8 s czas chłodzenia 2,1 s prąd 2A micro – BEC (Garching & Tubingen)

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 1419/20 “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)

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 1420/20 1.Model Bohra, liczby kwantowe. 2.Stabilność orbit atomowych a relacja nieoznaczoności. 3.Defekt kwantowy, poziomy energetyczne atomów wieloelektronowych. 4.Przybliżenie pola centralnego. 5.Kolejność zapełniania powłok elektronowych, układ okresowy pierwiastków. 6.Efekty wymiany, poziomy energetyczne atomu helu. 7.Struktura subtelna, oddziaływanie spin-orbita, sprzężenie L-S i j-j. 8.Podstawy modelu wektorowego, zastosowanie do ef. Zeemana, czynnik Landego 9.Poprawki relatywistyczne do energii poziomów atomowych. 10.Magnetyzm atomowy, efekty Zeemana i Paschena-Backa, pola pośrednie. 11.Struktura nadsubtelna, efekt izotopowy, ef. Backa-Goudsmita. 12.Atom w polu elektrycznym. 13.Struktura poziomów energetycznych i widma cząsteczek. 14.Przybliżenie dipolowe, reguły wyboru. 15.Stany niestacjonarne, rezonans optyczny, polaryzacja w ef. Zeemana. 16.Doświadczenie Francka-Hertza (jak i po co?). 17.Doświadczenie Sterna-Gerlacha (jak i po co?). 18.Doświadczenie Lamba-Retherforda (jak i po co?). 19.Ograniczenia dokładności pomiarów spektroskopowych i sposoby ich eliminacji. 20.Pompowanie optyczne (podstawy i zastosowania). 21.Efekty interferencji stanów atomowych (przecięcia poziomów energet., dudnienia kwantowe, prążki Ramseya). 22.Spektroskopia laserowa, nasycenie i selekcja prędkości i ich zastosowania do eliminacji rozszerzenia dopplerowskiego. 23.Pomiar przesunięcia Lamba stanu 1S (dlaczego i jak?) 24.Pułapki jonowe (jak i po co?). 25.Przeskoki kwantowe i ich obserwacja. 26.Siły optyczne, chłodzenie i pułapkowanie neutralnych atomów. 27.Atomy bozonowe i fermionowe w ultra niskich temperaturach. Tematy pytań na egzamin