Magnetooptická past - Magneto-optical trap - Wikipedia

Experimentální nastavení STK

A magnetooptická past (STK) je zařízení, které používá laserové chlazení a prostorově se měnící magnetické pole k vytvoření pasti, která může produkovat vzorky studených, zachycených neutrálních atomů. Teploty dosažené ve STK mohou být nízké až několik mikrokelvin, což je dvojnásobek nebo trojnásobek limitu zpětného rázu fotonu (viz Dopplerův limit chlazení ). Avšak pro atomy s nevyřešenou hyperjemnou strukturou, jako např ${ displaystyle ^ {7} mathrm {Li}}$ , teplota dosažená při STK bude vyšší než Dopplerův limit chlazení.

Spojením malého hybnost jediného foton s rychlostí a prostorově závislé absorpční průřez a mnoho absorpčníchspontánní emise cykly, atomy s počáteční rychlostí stovek metrů za sekundu lze zpomalit na desítky centimetrů za sekundu.

I když mohou být nabité částice zachyceny pomocí a Penningová past nebo a Paul past pomocí kombinace elektrického a magnetického pole jsou tyto pasti pro neutrální atomy neúčinné.

Teoretický popis STK

Obecně řečeno, dvě cívky v anti-Helmholtzově konfiguraci se používají ke generování slabého kvadrupolárního magnetického pole, jehož síla se lineárně mění s pozicí. V důsledku Zeemanův efekt, toto pole posouvá energetické hladiny atomu ... Zvažte přechod atomu mezi dvěma energetickými hladinami, jednou s celkovou momentem hybnosti ${ displaystyle J = 0}$ a druhý s ${ displaystyle J = 1}$ .^[1] Každý z těchto států bude podle pole rozdělen ${ displaystyle 2J + 1}$ podúrovně s přidruženými hodnotami ${ displaystyle m_ {J}}$ , které označují projekci celkového vektoru momentu hybnosti ${ displaystyle mathbf {J}}$ na pole ${ displaystyle mathbf {B}}$ .

Ve středu pasti je magnetické pole nulové a atomy jsou tedy „temné“ k dopadajícím červeně odladěným fotonům. To znamená, že ve středu pasti je Zeemanův posun nulový pro všechny stavy, a tedy frekvence přechodu ${ displaystyle omega _ {0}}$ z ${ displaystyle J = 0 rightarrow J = 1}$ zůstává nezměněno. Odladění fotonů od této frekvence znamená, že ve středu pasti nebude znatelné množství absorpce (a tedy emise) atomů, proto termín „temný“.

Nyní zvažte atom, který se pohybuje v ${ displaystyle + z}$ -směr. Zeemanův posun způsobí ${ displaystyle J = 1, m_ {F} = - 1}$ stav ke snížení energie, čímž se vytvoří energetická mezera mezi ní a ${ displaystyle J = 0}$ stát menší; to znamená, že frekvence spojená s přechodem klesá. Červeně rozladěný ${ displaystyle sigma ^ {-}}$ fotony, které se množí v ${ displaystyle -z}$ - směr se tak blíží rezonanci, když se atom pohybuje dále od středu pasti, čímž zvyšuje absorpční průřez. Když atom absorbuje a ${ displaystyle sigma ^ {-}}$ foton, je vzrušený pro ${ displaystyle J = 1, m_ {F} = - 1}$ stavu a dostane „kop“ zpětného rázu jednoho fotonu, ${ displaystyle hbar k}$ ve směru opačném k jeho pohybu. Atom, nyní v excitovaném stavu, poté spontánně emituje foton v náhodném směru, což znamená, že po rozptylu mnoha fotonů byl atom v průměru „zatlačen“ zpět k nule pole pasti. K tomuto procesu zachycení dojde také u atomu pohybujícího se v ${ displaystyle -z}$ -směr pokud ${ displaystyle sigma ^ {+}}$ fotony se pohybují v opačném směru, jediný rozdíl je v tom, že excitace bude od ${ displaystyle J = 0}$ na ${ displaystyle J = 1, m_ {F} = + 1}$ protože magnetické pole je pro ${ displaystyle z <0}$ .

Dopplerovo chlazení

Fotony mají hybnost danou ${ displaystyle hbar k}$ (kde ${ displaystyle hbar}$ je snížená Planckova konstanta a ${ displaystyle k}$ foton vlnové číslo ), který je zachován ve všech interakcích atom-foton. Když tedy atom absorbuje foton, dostane se před absorpcí hybnosti ve směru fotonu. Podle rozladění laserový paprsek na frekvenci menší než rezonanční frekvence (známé také jako červené rozladění), laserové světlo je absorbováno pouze v případě, že je světlo Dopplerův jev, ke kterému dochází, kdykoli se atom pohybuje směrem ke zdroji laseru. To aplikuje třecí sílu na atom, kdykoli se pohybuje směrem ke zdroji laseru.

Aby mohlo dojít ke chlazení ve všech směrech, atom musí vidět tuto třecí sílu podél všech tří kartézských os; toho lze nejsnadněji dosáhnout osvětlením atomu třemi ortogonálními laserovými paprsky, které se pak odrážejí zpět stejným směrem.

Magnetické zachycení

Magnetické zachycování se vytváří přidáním prostorově se měnícího magnetického kvadrupólového pole k červeně rozladěnému optickému poli potřebnému pro laserové chlazení. To způsobí a Zeemanova směna v magneticky citlivém m_F úrovně, která se zvyšuje s radiální vzdáleností od středu pasti. Z tohoto důvodu, když se atom vzdaluje od středu pasti, atomová rezonance se posune blíže k frekvenci laserového světla a u atomu je pravděpodobnější fotonový kop směrem ke středu pasti.

Směr kopu je dán polarizací světla, které je buď levotočivé nebo pravotočivé, což dává různé interakce s různými m_F úrovně. Používají se správné polarizace, takže fotony, které se pohybují směrem ke středu pasti, budou na rezonanci se správnou posunutou úrovní atomové energie a vždy budou atom hýbat směrem ke středu.

Atomová struktura nezbytná pro magnetooptické zachycení

Lasery potřebné pro magnetooptické zachycení rubidia 85: (a) a (b) ukazují absorpci (červeně rozladěnou na tečkovanou čáru) a spontánní emisní cyklus, (c) a (d) jsou zakázané přechody, (e) ukazuje, že pokud chladicí laser excituje atom na

{ displaystyle F = 3}

stavu, je dovoleno rozpadat se na „temný“ spodní hyperjem F= 2 stav, který by zastavil proces chlazení, pokud by to nebyl repumper laser (f).

Jelikož tepelný atom při pokojové teplotě má mnohonásobek hybnosti jediného fotonu, musí chlazení atomu zahrnovat mnoho cyklů absorpce a spontánní emise, přičemž každý cyklus ztratí atom až ħk hybnosti. Z tohoto důvodu, pokud atom má být laserem chlazen, musí mít specifickou strukturu energetické úrovně známou jako uzavřená optická smyčka, kde se po události excitace-spontánní emise atom vždy vrátí do původního stavu.⁸⁵Například rubidium má uzavřenou optickou smyčku mezi ${ displaystyle 5S_ {1/2} F = 3}$ stát a ${ displaystyle 5P_ {3/2} F = 4}$ Stát. Jakmile je atom v excitovaném stavu, je zakázáno se rozpadat na kterýkoli z ${ displaystyle 5P_ {1/2}}$ státy, které by nezachovaly parita, a je také zakázáno rozpadat se na ${ displaystyle 5S_ {1/2} F = 2}$ stav, který by vyžadoval změnu momentu hybnosti −2, který nemůže být dodán jediným fotonem.

Mnoho atomů, které neobsahují uzavřené optické smyčky, může být stále laserem chlazeno, nicméně pomocí repump laserů, které znovu rozrušují populaci zpět do optické smyčky poté, co se rozpadla do stavu mimo chladicí cyklus. Například magnetooptický zachycení rubidia 85 zahrnuje cyklování na uzavřeném okruhu ${ displaystyle 5S_ {1/2} F = 3 až 5P_ {3/2} F = 4}$ přechod. Při buzení však rozladění nutné pro chlazení dává malé, ale nenulové překrytí s ${ displaystyle 5P_ {3/2} F = 3}$ Stát. Pokud je atom vzrušen do tohoto stavu, ke kterému dochází zhruba každých tisíc cyklů, pak se atom může volně rozpadat ${ displaystyle F = 3}$ , lehký spojený horní hyperjemný stav nebo ${ displaystyle F = 2}$ „tmavý“ stav nižšího hyperjemnosti. Pokud spadne zpět do temného stavu, atom přestane cyklovat mezi pozemním a vzrušeným stavem a ochlazení a zachycení tohoto atomu se zastaví. Repump laser, který rezonuje s ${ displaystyle 5S_ {1/2} F = 2 až 5P_ {3/2} F = 3}$ přechod se používá k recyklaci populace zpět do optické smyčky, aby mohlo pokračovat chlazení.

Zařízení

Laser

Všechny magnetooptické lapače vyžadují alespoň jeden zachycovací laser a všechny potřebné repumpery (viz výše). Tyto lasery vyžadují spíše stabilitu než vysoký výkon, který nevyžaduje více než intenzitu nasycení, ale a šířka čáry mnohem menší než Dopplerova šířka, obvykle několik megahertzů. Vzhledem k jejich nízké ceně, kompaktní velikosti a snadnému použití laserové diody se používají pro mnoho standardních druhů STK, zatímco šířka a stabilita těchto laserů se řídí pomocí servo systémy, které stabilizuje lasery na referenční atomové frekvenci například pomocí nasycená absorpční spektroskopie a Technika Pound-Drever-Hall generovat blokovací signál.

Zaměstnáním 2-dimenzionální difrakční mřížka je možné generovat konfiguraci laserových paprsků potřebných pro magnetooptickou pasti z jediného laserového paprsku a mít tak velmi kompaktní magnetooptickou pasti.^[2]

Vakuová komora

MOT mrak se načítá z pozadí tepelné páry nebo z atomového paprsku, obvykle zpomaleného na rychlost zachycení pomocí Zeeman pomaleji. Potenciál zachycení v magneticko-optické pasti je však ve srovnání s tepelnými energiemi atomů malý a většina kolizí mezi zachycenými atomy a plynem v pozadí dodává uvězněnému atomu dostatek energie, aby jej z pasti vyhodila. Pokud je tlak pozadí příliš vysoký, atomy jsou vykopnuty z pasti rychleji, než je možné je načíst, a pasti se netvoří. To znamená, že MOT mrak se tvoří pouze ve vakuové komoře s tlakem pozadí menším než 10 mikropascalů (10⁻¹⁰ bar).

Meze magneticko-optické pasti

MOT mrak ve dvou různých režimech hustoty: Pokud je hustota MOT dostatečně vysoká, MOT mrak přechází z distribuce hustoty Gaussian (vlevo) do něčeho exotičtějšího (vpravo). Na obrázku vpravo je hustota tak vysoká, že atomy byly vyfouknuty z centrální oblasti zachycování radiačním tlakem, aby kolem ní vznikl režim toroidní závodní dráhy.

Magnetooptická past s režimem závodní dráhy

Minimální teplota a maximální hustota mraku v magneticko-optické pasti je omezena spontánně emitovaným fotonem při chlazení každého cyklu. Zatímco asymetrie v excitaci atomu poskytuje chladicí a zachycovací síly, emise spontánně emitovaného fotonu je v náhodném směru, a proto přispívá k zahřívání atomu. Ze dvou .k nakopne atom, který dostane v každém chladicím cyklu, první ochlazuje a druhý zahřívá: jednoduchý popis laserového chlazení, který nám umožňuje vypočítat bod, ve kterém tyto dva efekty dosáhnou rovnováhy, a proto definovat spodní teplotní limit, známý jako Dopplerův limit chlazení.

Hustota je také omezena spontánně emitovaným fotonem. Jak hustota mraku roste, šance, že spontánně emitovaný foton opustí mrak bez interakce s dalšími atomy, má sklon k nule. Absorpce spontánně emitovaného fotonu sousedním atomem dává a 2ħk hybnost mezi emitujícím a absorbujícím atomem, kterou lze považovat za odpudivou sílu, podobnou coulombově odpudivosti, která omezuje maximální hustotu mraku.

aplikace

V důsledku nízkých hustot a rychlostí atomů dosažených optickým chlazením, znamená volnou cestu v kouli STK je atomy ochlazené velmi dlouhé a s atomy lze zacházet jako balistický. To je užitečné pro experimenty s kvantovými informacemi, kde je nutné mít dlouho časy soudržnosti (čas, který atom stráví v definovaném kvantovém stavu). Kvůli nepřetržitému cyklu absorpce a spontánní emise, která způsobuje dekoherence, jakékoli experimenty s kvantovou manipulací musí být prováděny s vypnutými paprsky MOT. V tomto případě je běžné zastavit expanzi plynů během experimentů kvantové informace načtením ochlazených atomů do a dipólová past.

Magnetooptická past je obvykle prvním krokem k dosažení Bose – Einsteinova kondenzace. Atomy se chladí STK až na několikanásobek limitu zpětného rázu a poté odpařováním chlazený což snižuje teplotu a zvyšuje hustotu na požadovanou hustotu fázového prostoru.

MNOŽSTVÍ ¹³³Cs bylo použito k provedení nejlepších měření Porušení CP.^{[Citace je zapotřebí ]}

Viz také

Reference

^ Foot, C. J. (2005). Atomová fyzika. Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-152314-4. OCLC 181750270.
^ Nshii a kol.

„Nobelova cena za fyziku 1997“. Nobelprize.org. 15. října 1997. Citováno 11. prosince 2011.
Raab E. L .; Prentiss M .; Kabel A .; Chu S .; Pritchard D.E. (1987). "Zachytávání neutrálních atomů sodíku radiačním tlakem". Dopisy o fyzické kontrole. 59 (23): 2631–2634. Bibcode:1987PhRvL..59.2631R. doi:10.1103 / PhysRevLett.59.2631. PMID 10035608.
Metcalf, Harold J. & Straten, Peter van der (1999). Laserové chlazení a trapping. Springer-Verlag New York, Inc. ISBN 978-0-387-98728-6.
Foot, C. J. (2005). Atomová fyzika. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850696-6.
Monroe C, Swann W, Robinson H, Wieman C (1990-09-24). „Velmi studené zachycené atomy v parní buňce“. Dopisy o fyzické kontrole. 65 (13): 1571–1574. Bibcode:1990PhRvL..65,1571M. doi:10.1103 / PhysRevLett.65.1571. PMID 10042304.
Liwag, John Waruel F. Chlazení a zachycování atomů 87Rb v magnetooptické pasti pomocí nízkoenergetických diodových laserů, práce 621.39767 L767c (1999)
K B Davis; MO Mewes; M. R. Andrews; N J van Druten; D S Durfee; D M Kurn & W Ketterle (1997-11-27). „Bose-Einsteinova kondenzace v plynu sodíkových atomů“. Dopisy o fyzické kontrole. 75 (22): 3969–3973. Bibcode:1995PhRvL..75,3969D. doi:10.1103 / PhysRevLett.75.3969. PMID 10059782. S2CID 975895.
C. C. Nshii; M. Vangeleyn; J. P. Cotter; P. F. Griffin; E. A. Hinds; C. N. Ironside; P. Viz; A. G. Sinclair; E. Riis a A. S. Arnold (květen 2013). „Čip s povrchovým vzorem jako silný zdroj ultra studených atomů pro kvantové technologie“. Přírodní nanotechnologie. 8 (5): 321–324. arXiv:1311.1011. Bibcode:2013NatNa ... 8..321N. doi:10.1038 / nnano.2013.47. PMID 23563845. S2CID 205450448.
G. Puentes (červenec 2020). „Návrh a konstrukce magnetických cívek pro experimenty s kvantovým magnetismem“. Kvantové zprávy. 2 (3): 378–387. doi:10,3390 / kvantum2030026.

[1] Foot, C. J. (2005). Atomová fyzika. Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-152314-4. OCLC 181750270.

[2] Nshii a kol.

[1]

[2]

Lasery
Seznam laserových článků Seznam typů laserů Seznam laserových aplikací Laserové zkratky Laser typy: Pevné skupenství Polovodič Barvivo Plyn Chemikálie Excimer Ion Metal Vapor
Laserová fyzika	Aktivní laserové médium Zesílená spontánní emise Kontinuální vlna Dopplerovo chlazení Laserová ablace Laserové chlazení Laserová šířka čáry Prahová hodnota lasování Magnetooptická past Optická pinzeta Populační inverze Vyřešené chlazení bočního pásma Ultrakrátký puls
Laserová optika	Expandér paprsku Paprskový homogenizátor B Integral Zesílení cvrlikaného pulzu Přepínání zisku Gaussův paprsek Injekční secí stroj Laserový paprsek profiler M na druhou Uzamčení režimu Laserový oscilátor s více hranoly Multiphotonové intrapulzní interferenční fázové skenování Optický zesilovač Optická dutina Optický izolátor Výstupní vazební člen Q-přepínání Regenerativní zesílení
Laserová spektroskopie	Dutinová ring-down spektroskopie Konfokální laserová skenovací mikroskopie Laserová fotoemisní spektroskopie s úhlovým rozlišením Laserová difrakční analýza Laserem indukovaná poruchová spektroskopie Laserem indukovaná fluorescence Protihluková dutina vylepšená optická heterodynová molekulární spektroskopie Ramanova spektroskopie Zobrazovací mikroskopie druhé harmonické Terahertzova časová doména spektroskopie Laditelná diodová laserová absorpční spektroskopie Dvoufotonová excitační mikroskopie Ultrarychlá laserová spektroskopie
Laserová ionizace	Nadprahová ionizace Laserová ionizace za atmosférického tlaku Maticová laserová desorpce / ionizace Rezonanční multipotonová ionizace Měkká laserová desorpce Povrchová laserová desorpce / ionizace Povrchově vylepšená laserová desorpce / ionizace
Laserová výroba	Svařování laserovým paprskem Laserové lepení Laserová konverze Řezání laserem Laserový řezací most Laserové vrtání Laserové gravírování Laser-hybridní svařování Laserové peening Multiphotonová litografie Pulzní laserová depozice Selektivní laserové tavení Selektivní laserové slinování
Laserová medicína	Počítačová tomografie laserová mamografie Mikrodisekce s laserovým snímáním Laserové odstranění chloupků Laserová litotrypsie Laserová koagulace Laserová operace Laserová termální keratoplastika LASIK Nízkoúrovňová laserová terapie Optická koherentní tomografie Fotorefrakční keratektomie Fotorejuvenace
Laserová fúze	Argus laser Cyclops laser GEKKO XII Ahoj Lasery ISKRA Janus laser Laboratoř pro laserovou energetiku Laserová integrační linka Laser Mégajoule Dlouhý laser LULI2000 Rtuťový laser Národní zapalovací zařízení Nike laser Nova (laser) Novette laser Shiva laser Trident laser Vulkánský laser
Civilní aplikace	3D laserový skener CD DVD Modrý paprsek Laserový osvětlovací displej Laserové ukazovátko Laserová tiskárna Laser game
Vojenské aplikace	Pokročilý taktický laser Boeing Laser Avenger Dazzler (zbraň) Elektrolaser Laserové označení Laserové navádění Laserem naváděná bomba Laserové zbraně Laserový dálkoměr Laserový varovný přijímač Laserová zbraň LLM01 Vícenásobný integrovaný systém laserového zapojení Taktický vysokoenergetický laser Taktické světlo ZEUS-HLONS (HMMWV Laser Ordnance Neutralization System)
Kategorie Commons