Серая патока - это метод субдоплеровского лазерного охлаждения атомов. Он использует принципы сизифовского охлаждения в сочетании с так называемым «темным» состоянием, переход которого в возбужденное состояние не обрабатывается резонансными лазерами. Ультрахолодные атомной физика Эксперименты на атомных видах с плохо разрешенной сверхтонкой структурой, такие как изотопы из лития [1] и калия , [2] часто используют серые патоку вместо Сизифа охлаждения в качестве вторичной стадии охлаждения после повсеместной магнито-оптической ловушки (MOT) для достижения температур ниже доплеровского предела. В отличие от МОЛ, который сочетает в себе силу патоки с удерживающей силой, серая патока может только замедлять, но не задерживать атомы; следовательно, его эффективность в качестве охлаждающего механизма длится всего миллисекунды, прежде чем должны быть применены дальнейшие этапы охлаждения и улавливания.
Обзор
Подобно сизифову охлаждению , механизм охлаждения серой патоки основан на двухфотонном переходе типа комбинационного рассеяния света между двумя сверхтонкими расщепленными основными состояниями, опосредованными возбужденным состоянием. Ортогональные суперпозиции этих основных состояний составляют «светлые» и «темные» состояния, так называемые, поскольку первое связано с возбужденным состоянием посредством дипольных переходов, управляемых лазером , а второе доступно только через спонтанное излучение из возбужденного состояния. Поскольку ни одно из них не является собственными состояниями оператора кинетической энергии, темное состояние также эволюционирует в яркое состояние с частотой, пропорциональной внешнему импульсу атома. Градиенты поляризации луча патоки создают синусоидальный ландшафт потенциальной энергии для яркого состояния, в котором атомы теряют кинетическую энергию, перемещаясь «в гору» к максимумам потенциальной энергии, которые совпадают с круговыми поляризациями, способными выполнять электрические дипольные переходы в возбужденное состояние. Затем атомы в возбужденном состоянии оптически перекачиваются в темное состояние, а затем переходят обратно в яркое состояние, чтобы перезапустить цикл. В качестве альтернативы, пара светлого и темного основных состояний может быть вызвана электромагнитно-индуцированной прозрачностью (EIT) . [3] [4]
Общий эффект многих циклов от яркого состояния к возбужденному и темному состоит в том, чтобы подвергнуть атомы сизифову охлаждению в ярком состоянии и выбрать самые холодные атомы для перехода в темное состояние и выхода из цикла. Последний процесс представляет собой избирательный по скорости когерентный захват населения (VSCPT). [5] Сочетание светлого и темного состояний, таким образом, дает название «серая патока».
История
В 1988 году группа NIST в Вашингтоне во главе с Уильямом Филлипсом впервые измерила температуры ниже доплеровского предела в атомах натрия в оптической патоке , что побудило поиск теоретических основ субдоплеровского охлаждения. [6] В следующем году Жан Далибард и Клод Коэн-Таннуджи определили причину как многофотонный процесс сизифовского охлаждения, [7] и группа Стивена Чу аналогичным образом смоделировала субдоплеровское охлаждение как принципиально схему оптической накачки . [8] В результате своих усилий Филлипс, Коэн-Таннуджи и Чу совместно получили Нобелевскую премию по физике 1997 года . TW Hänsch, et al. впервые описал теоретическую формулировку серой патоки в 1994 году [9], а в следующем году Дж. Гринберг осуществил эксперимент с четырьмя лучами в цезии . [10] С тех пор он регулярно используется для охлаждения всех других щелочных (водородных) металлов. [1] [2] [11] [12]
Сравнение с сизифовым охлаждением
При сизифовом охлаждении два сверхтонких основных состояния испытывают равные и противоположные переменные штарковские сдвиги от почти резонансных встречных лучей. Лучи также создают градиент поляризации, чередуя линейную и круговую поляризацию. Максимумы потенциальной энергии одного совпадают с чистой круговой поляризацией, которая оптически перекачивает атомы друг другу , который испытывает свои минимумы в том же месте. Со временем атомы расходуют свою кинетическую энергию, пересекая ландшафт потенциальной энергии и передавая разность потенциальной энергии между гребнями и впадинами уровней основного состояния, сдвинутыми по Штарку-AC, испускаемым фотонам. [7]
Напротив, серая патока имеет только одно основное состояние с синусоидальным световым смещением; оптическая накачка на пиках этого ландшафта потенциальной энергии переводит атомы в темное состояние, которое может избирательно эволюционировать в яркое состояние и повторно входить в цикл с достаточным импульсом. Сизифово охлаждение трудно реализовать, когда коллектор возбужденного состояния плохо разрешен (т.е. сверхтонкий интервал которого сравним или меньше ширины составляющих линий ); в этих атомных разновидностях предпочтительна серая патока рамановского типа.
Теория
Одетая Государственная картина
Обозначим два основных состояния и возбужденное состояние электрона. а также , соответственно. Атом также имеет общий импульс, поэтому общее состояние атома является результатом состояния его внутреннего состояния и его количества движения, как показано на рисунке. При наличии встречных лучей противоположной поляризации внутренние состояния испытывают гамильтониан взаимодействия атома со светом
где - частота Раби , приблизительно одинаковая для обоих переходов. Используя определение оператора сдвига в импульсном пространстве,
эффект о состоянии является
Это говорит о одетом состоянии что сочетается с является более удобным базисным состоянием из двух основных состояний. Состояние ортогонального базиса определенное ниже, не связано с вообще.
Действие в этих государствах
Таким образом, а также подвергаются сизифову охлаждению, идентифицируя первое как яркое состояние. оптически недоступен и составляет темное состояние. Тем не мение, а также не являются собственными состояниями оператора импульса и, таким образом, движутся друг с другом через кинетическую энергию невозмущенного гамильтониана:
В результате этого взаимодействия темное состояние переходит в яркое состояние с частотой, пропорциональной импульсу, эффективно отбирая более горячие атомы для повторного входа в цикл сизифовского охлаждения. Эта неадиабатическая связь происходит преимущественно в потенциальных минимумах состояния связи со смещением света. Со временем атомы остывают до тех пор, пока им не недостает импульса, чтобы пройти синусоидальный световой сдвиг яркого состояния и вместо этого заселить темное состояние. [9]
Рамановское условие
Условие резонанса любого -типа рамановского процесса требует, чтобы разница в энергиях двух фотонов соответствовала разнице в энергии между состояниями на «ногах» , здесь основные состояния определено выше. В экспериментальных условиях это условие реализуется, когда отстройки частот циклирования и перестановки относительно а также частоты переходов соответственно равны. [примечание 1]
В отличие от большинства методов доплеровского охлаждения , свет в серой патоке должен быть синим, не настроенным на его резонансный переход; результирующий доплеровский нагрев компенсируется охлаждением с градиентом поляризации. Качественно это связано с тем, что выборозначает, что сдвиги AC-Штарка трех уровней являются одним и тем же знаком в любой данной позиции. Выбор максимумов потенциальной энергии в качестве мест оптической накачки в темное состояние требует, чтобы общий свет был расстроен на синий цвет; при этом атомы в ярком состоянии преодолевают максимальную разность потенциалов и, таким образом, рассеивают большую часть кинетической энергии. Полное количественное объяснение силы патоки относительно расстройки можно найти в статье Хэнша. [9]
Смотрите также
- Сизифовое охлаждение
- Рамановская спектроскопия
Заметки
- ^ Так называемый циклический свет обращается к переходу, представляющему доминирующий путь спонтанного распада, в то время как свет репумера направляет те атомы, которые распадаются на другое сверхтонкое основное состояние. Эта терминология происходит от использования подобных сверхтонких многообразий в доплеровском охлаждении, например, в зеемановских замедлителях и магнитооптических ловушках, где переставляющий свет оптически выкачивает атомы из недоступного другим способом сверхтонкого основного состояния. В экспериментах по атомной физике, в которых используются как доплеровский, так и субдоплеровский этапы охлаждения, серые патоковые лазеры часто также называются «циклическими» и «переупаковывающими» просто потому, что они имеют ту же относительную расстройку, что и на более ранней стадии, но их функция отображается серым цветом. патока качественно отличается и поэтому не совсем соответствует названиям.
Рекомендации
- ^ a b Гриер, Эндрю Т .; Феррье-Барбю, Игорь; Rem, Benno S .; Делехай, Мэрион; Хайкович, Лев; Шеви, Фредерик; Саломон, Кристоф (2013-06-12). "$ \ suremath {\ Lambda} $ - усиленное субдоплеровское охлаждение атомов лития в серой патоке $ {D} _ {1} $" . Physical Review . 87 (6): 063411. arXiv : 1304.6971 . DOI : 10.1103 / PhysRevA.87.063411 . S2CID 118637678 . Проверено 10 декабря 2020 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ а б Rio Fernandes, D .; Сиверс, Ф .; Kretzschmar, N .; Wu, S .; Salomon, C .; Чеви, Ф. (2012-12-01). «Субдоплеровское лазерное охлаждение фермионных атомов 40 K в трехмерной серой оптической патоке» . EPL (Europhysics Letters) . 100 (6): 63001. arXiv : 1210.1310 . Bibcode : 2012EL .... 10063001R . DOI : 10.1209 / 0295-5075 / 100/63001 . ISSN 1286-4854 0295-5075, 1286-4854 Проверить
|issn=
значение ( справка ) . S2CID 119102471 . Проверено 10 декабря 2020 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка ) - ^ Мориджи, Джованна; Эшнер, Юрген; Кейтель, Кристоф Х. (2000-11-20). "Основное состояние лазерного охлаждения с использованием электромагнитно-индуцированной прозрачности" . Письма с физическим обзором . 85 (21): 4458–4461. arXiv : квант-ph / 0005009 . Bibcode : 2000PhRvL..85.4458M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.85.4458 . PMID 11082570 . S2CID 12580278 . Проверено 10 декабря 2020 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Мицунага, Масахару; Имото, Нобуюки (1999-06-01). «Наблюдение электромагнитной решетки в холодных атомах натрия» . Physical Review . 59 (6): 4773–4776. Bibcode : 1999PhRvA..59.4773M . DOI : 10.1103 / PhysRevA.59.4773 . Проверено 10 декабря 2020 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Aspect, A .; Arimondo, E .; Kaiser, R .; Vansteenkiste, N .; Коэн-Таннуджи, К. (1988-08-15). «Лазерное охлаждение ниже энергии однофотонной отдачи за счет селективного по скорости когерентного захвата населения» . Письма с физическим обзором . 61 (7): 826–829. DOI : 10.1103 / PhysRevLett.61.826 . PMID 10039440 . Проверено 10 декабря 2020 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Lett, Paul D .; Уоттс, Ричард Н .; Вестбрук, Кристоф I .; Филлипс, Уильям Д .; Gould, Phillip L .; Меткалф, Гарольд Дж. (1988-07-11). «Наблюдение за атомами, охлажденными лазером ниже доплеровского предела» . Письма с физическим обзором . 61 (2): 169–172. Bibcode : 1988PhRvL..61..169L . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.61.169 . PMID 10039050 . Проверено 10 декабря 2020 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ а б Далибард, Дж .; Коэн-Таннуджи, К. (1989-11-01). «Лазерное охлаждение ниже доплеровского предела градиентами поляризации: простые теоретические модели» . JOSA Б . 6 (11): 2023–2045. Bibcode : 1989JOSAB ... 6.2023D . DOI : 10.1364 / JOSAB.6.002023 . ISSN 1520-8540 . Проверено 10 декабря 2020 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Weiss, David S .; Риис, Эрлинг; Шеви, Яаков; Ангар, П. Джеффри; Чу, Стивен (1989-11-01). «Оптическая патока и многоуровневые атомы: эксперимент» . JOSA Б . 6 (11): 2072–2083. Bibcode : 1989JOSAB ... 6.2072W . DOI : 10.1364 / JOSAB.6.002072 . ISSN 1520-8540 . Проверено 10 декабря 2020 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ а б в г Weidemüller, M; Esslinger, T; Ольшаний М. А; Хеммерих, А; Hänsch, T. W (1994-07-10). «Новая схема эффективного охлаждения ниже предела отдачи фотонов» . Письма Europhysics (EPL) . 27 (2): 109–114. Bibcode : 1994EL ..... 27..109W . DOI : 10.1209 / 0295-5075 / 27/2/006 . ISSN 0295-5075 . Проверено 10 декабря 2020 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Boiron, D .; Triché, C .; Мичер, доктор наук; Verkerk, P .; Гринберг, Г. (1995-11-01). «Трехмерное охлаждение атомов цезия в четырехлучевой серой оптической патоке» . Physical Review . 52 (5): –3425 – R3428. Bibcode : 1995PhRvA..52.3425B . DOI : 10.1103 / PhysRevA.52.R3425 . PMID 9912766 . Проверено 10 декабря 2020 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Кольци, Джакомо; Дурастанте, Джанмария; Фава, Элеонора; Серафини, Симона; Лампорези, Джакомо; Феррари, Габриэле (18 февраля 2016 г.). «Субдоплеровское охлаждение атомов натрия в серой патоке» . Physical Review . 93 (2): 023421. arXiv : 1512.07053 . Bibcode : 2016PhRvA..93b3421C . DOI : 10.1103 / PhysRevA.93.023421 . S2CID 118422620 . Проверено 10 декабря 2020 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Рози, Сара; Бурчианти, Алессия; Конклав, Стефано; Naik, Devang S .; Роати, Джакомо; Форт, Кьяра; Минарди, Франческо (22.01.2018). «Λ-усиленная серая патока на переходе D 2 атомов рубидия-87» . Научные отчеты . 8 (1): 1301. arXiv : 1709.06467 . Bibcode : 2018NatSR ... 8.1301R . DOI : 10.1038 / s41598-018-19814-Z . ISSN 2045-2322 . PMC 5778025 . PMID 29358635 .