Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Испарительное охлаждение - это метод атомной физики, предназначенный для достижения высоких плотностей фазового пространства, которых обычно не могут достичь только методы оптического охлаждения. [1]

Атомы, захваченные в оптических или магнитных ловушках, могут охлаждаться испарением с помощью двух основных механизмов, обычно специфичных для конкретного типа ловушки: в магнитных ловушках, радиочастотном(RF) поля используются для избирательного вытеснения теплых атомов из ловушки, вызывая переходы между захватывающими и незахваченными спиновыми состояниями; или, в оптических ловушках, глубина самой ловушки постепенно уменьшается, позволяя наиболее энергичным атомам в ловушке вылетать через края оптического барьера. В случае распределения Максвелла-Больцмана для скоростей атомов в ловушке, как показано на рисунке справа, эти атомы, которые покидают / вытесняются из ловушки, находятся в хвосте распределения наивысшей скорости, что означает, что их кинетическая энергия (и, следовательно, температура) намного выше, чем в среднем для ловушки. Конечный результат состоит в том, что при уменьшении общей популяции ловушек уменьшается и средняя энергия оставшейся популяции.Это уменьшение средней кинетической энергии облака атомов приводит к постепенному снижению температуры ловушки, охлаждая ловушку. Весь процесс аналогичен обдуванию горячей чашки кофе для ее охлаждения: молекулы на самом высоком конце распределения энергии для кофе образуют пар над поверхностью, а затем удаляются из системы, сдув их, уменьшая средняя энергия и, следовательно, температура оставшихся молекул кофе.

Эволюция распределения Максвелла-Больцмана по скоростям для начальной популяции из 1 миллиона атомов 87Rb при ~ 300 К. На каждом шаге рисунка удаляются самые быстрые 5% атомов в распределении, постепенно уменьшая среднюю скорость остальных атомов.

RF испарение [ править ]

Испарительное охлаждение, управляемое радиочастотами, возможно, является наиболее распространенным методом испарительного охлаждения атомов в магнитооптической ловушке (МОЛ). Рассмотрим атомы в ловушках, охлаждаемые лазером на переходе | F = 0⟩ → | F = 1⟩. Магнитные подуровни состояния | F = 1⟩ (| m F = -1,0,1⟩) вырождены при нулевом внешнем поле. Ограничивающее магнитное квадрупольное поле, равное нулю в центре ловушки и отличное от нуля везде, вызывает зеемановский сдвиг в атомах, которые отклоняются от центра ловушки, снимая вырождение трех магнитных подуровней. Энергия взаимодействия между полным спиновым угловым моментом захваченного атома и внешним магнитным полем зависит от проекции спинового углового момента на ось z и пропорциональна

Из этого соотношения видно, что только магнитный подуровень | m F = -1⟩ будет иметь положительную энергию взаимодействия с полем, то есть энергия атомов в этом состоянии увеличивается по мере их миграции из центра ловушки, превращение центра ловушки в точку с минимальной энергией, определение ловушки (см. синюю кривую на рисунке слева). Напротив, энергия состояния | m F = 0⟩ не изменяется под действием поля (нет захвата), а состояние | m F = 1⟩ фактически уменьшается по энергии, когда оно отклоняется от центра ловушки, делая центр точкой максимальная энергия (обратная сторона ловушки, зеленая кривая на рисунке) (какая цифра?). По этой причине | m F = -1⟩ называется состоянием захвата, а | m F= 0,1⟩ состояния без захвата. Из уравнения для энергии взаимодействия магнитного поля также можно видеть, что энергии состояний | m F = 1, -1⟩ сдвигаются в противоположных направлениях, изменяя разность полной энергии между этими двумя состояниями. | M F = -1⟩ → | m F= 1⟩ частота перехода, следовательно, испытывает зеемановский сдвиг. С учетом этого, схема испарительного охлаждения RF работает следующим образом: величина зеемановского сдвига перехода -1 → + 1 зависит от напряженности магнитного поля, которое увеличивается радиально наружу от центра ловушки. Наиболее холодные атомы перемещаются в небольшой области вокруг центра ловушки, где они испытывают лишь небольшой зеемановский сдвиг частоты перехода -1 → + 1. Однако теплые атомы проводят время в областях ловушки намного дальше от центра, где магнитное поле сильнее и, следовательно, больше зеемановский сдвиг. Сдвиг, индуцированный магнитными полями в масштабе, используемом в типичных МОЛ, составляет порядка МГц, так что радиочастотный источник может использоваться для управления переходом -1 → + 1.Выбор частоты для ВЧ-источника соответствует точке на кривой потенциала захвата (верхняя пунктирная линия на рисунке слева), в которой атомы испытывают зеемановский сдвиг, равный частоте ВЧ-источника, который затем перемещает атомы в защита от захвата | мF = 1⟩ магнитный подуровень и сразу выходит из ловушки. Таким образом, понижение радиочастоты эквивалентно опусканию пунктирной линии на рисунке, эффективно уменьшая глубину потенциальной ямы. По этой причине ВЧ-источник, используемый для удаления этих энергичных атомов, часто называют «ВЧ-ножом», поскольку он эффективно снижает высоту потенциала захвата для удаления наиболее энергичных атомов из ловушки, «отсекая» высокоэнергетические хвост распределения энергии ловушки. Этот метод широко использовался для охлаждения облака атомов рубидия ниже критической температуры конденсации, чтобы сформировать первый экспериментально наблюдаемый конденсат Бозе-Эйнштейна ( БЭК ) [2] .

Оптическое испарение [ править ]

В то время как первое наблюдение конденсации Бозе-Эйнштейна было сделано в магнитной ловушке для атомов с использованием испарительного охлаждения, управляемого ВЧ, оптические дипольные ловушки сегодня являются гораздо более распространенными платформами для достижения конденсации. Начиная с МОЛ, холодные захваченные атомы переносятся в фокус мощного, сильно сфокусированного, нерезонансного лазерного луча. Электрическое поле лазера в его фокусе достаточно сильное, чтобы индуцировать дипольные моменты в атомах, которые затем притягиваются к максимуму электрического поля в фокусе лазера, эффективно создавая захватывающий потенциал, чтобы удерживать их в фокусе луча.

Глубина оптического улавливающего потенциала в оптической дипольной ловушке (ODT) пропорциональна интенсивности улавливающего лазерного света. Таким образом, уменьшение мощности захватывающего лазерного луча уменьшает глубину улавливающего потенциала. В случае испарения, управляемого ВЧ, фактическая высота потенциального барьера, ограничивающего атомы, фиксируется во время последовательности испарения, но ВЧ-нож эффективно уменьшает глубину этого барьера, как обсуждалось ранее. Однако для оптической ловушки испарение облегчается за счет уменьшения мощности лазера и, таким образом, уменьшения глубины потенциала улавливания, как показано на рисунке справа. В результате самые теплые атомы в ловушке будут обладать достаточной кинетической энергией, чтобы пройти через барьерные стенки и покинуть ловушку.уменьшение средней энергии оставшихся атомов, как описано ранее. Хотя глубины ловушек для ODT могут быть небольшими (порядка мК, с точки зрения температуры), простота этой процедуры оптического испарения помогла сделать ее все более популярной для экспериментов BEC с момента ее первых демонстраций вскоре после получения магнитного BEC.[3]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Кеттерле, Вольфганг; Ван Друтен, Нью-Джерси (1996). «Испарительное охлаждение захваченных атомов». Успехи атомной, молекулярной и оптической физики . 37 : 181–236. Bibcode : 1996AAMOP..37..181K . DOI : 10.1016 / S1049-250X (08) 60101-9 . ISBN 9780120038374.
  2. ^ Андерсон, MH; Эншер-младший; Мэтьюз, MR; Виман, CE; Корнелл, EA (14 июля 1995 г.). «Наблюдения за конденсацией Бозе-Эйнштейна в разбавленном атомном паре» . Наука . 269 (5221): 198–201. Bibcode : 1995Sci ... 269..198A . DOI : 10.1126 / science.269.5221.198 . PMID 17789847 . 
  3. ^ Барретт, Мэриленд; Sauer, JA; Чепмен, М.С. (19 июня 2001 г.). "Общеоптическое образование атомного конденсата Бозе-Эйнштейна". Письма с физическим обзором . 87 (1): 010404. arXiv : cond-mat / 0106027 . Bibcode : 2001PhRvL..87a0404B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.87.010404 . PMID 11461452 . S2CID 24415566 .  
  • М. Х. Андерсон, Дж. Р. Эншер, М. Р. Мэтьюз, К. Э. Виман и Е. А. Корнелл, Наблюдения за конденсацией Бозе-Эйнштейна в разбавленном атомном паре , Science , 269: 198–201, 14 июля 1995 г.
  • JJ Tollett, CC Bradley, CA Sackett, RG Hulet, Ловушка на постоянных магнитах для холодных атомов , Phys. Ред. A 51, R22, 1995.
  • Буйер и др., Испарительное охлаждение, индуцированное ВЧ- излучением , и БЭК в сильном магнитном поле , Physics / 0003050 , 2000.

Внешние ссылки [ править ]