Магнитооптическая ловушка

Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в основном непроверенным, поскольку в нем отсутствуют соответствующие встроенные ссылки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Январь 2019 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Экспериментальная установка ТО

Магнито-оптическая ловушка ( MOT ) представляет собой устройство , которое использует лазерное охлаждение и пространственно-переменное магнитное поле , чтобы создать ловушки , которые могут производить образцы холодных, захваченных нейтральных атомов. Температуры, достигаемые в МОЛ, могут достигать нескольких микрокельвинов , в зависимости от вида атомов, что в два или три раза ниже предела отдачи фотонов. Однако для атомов с неразрешенной сверхтонкой структурой, например , температура, достигаемая в МОЛ, будет выше, чем предел доплеровского охлаждения. ${\ displaystyle ^ {7} \ mathrm {Li}}$

МОЛ формируется в результате пересечения слабого квадрупольного пространственно изменяющегося магнитного поля и шести расстроенных по кругу оптических пучков патоки с поляризацией в красный цвет. Когда атомы удаляются от нулевого поля в центре ловушки (на полпути между катушками), пространственно-изменяющийся зеемановский сдвиг приводит атомный переход в резонанс, который вызывает силу рассеяния, которая толкает атомы обратно к центру ловушки. ловушка. Вот почему МОЛ захватывает атомы, и поскольку эта сила возникает в результате рассеяния фотонов, при котором атомы получают импульс в направлении, противоположном их движению, она также замедляет атомы (то есть охлаждает их) в среднем из-за повторного поглощения и спонтанного выбросциклы. Таким образом, МОЛ может улавливать и охлаждать атомы с начальными скоростями от сотен метров в секунду до десятков сантиметров в секунду (опять же, в зависимости от вида атомов).

Хотя заряженные частицы могут быть захвачены ловушкой Пеннинга или ловушкой Пола с использованием комбинации электрического и магнитного полей, эти ловушки неэффективны для нейтральных атомов.

Теоретическое описание ТО [ править ]

Две катушки в конфигурации антигельмгольца используются для создания слабого квадрупольного магнитного поля; здесь мы будем рассматривать катушки как разделенные по оси. Вблизи нулевого поля, расположенного на полпути между двумя катушками вдоль α-направления, градиент поля является однородным, а само поле изменяется линейно с положением. Для этого обсуждения рассмотрим атом с основным и возбужденным состояниями с и , соответственно, где - величина вектора полного углового момента. Из-за эффекта Зеемана каждое из этих состояний будет разбито на подуровни со связанными значениями , обозначенными${\ displaystyle z}$${\ displaystyle z}$${\ displaystyle J = 0}$${\ displaystyle J = 1}$${\ displaystyle J}$${\ displaystyle 2J + 1}$${\ displaystyle m_ {J}}$${\ displaystyle | J, m_ {J} \ rangle}$(обратите внимание, что зеемановский сдвиг для основного состояния равен нулю и поле не разбивает его на подуровни). Это приводит к пространственно-зависимым сдвигам энергии подуровней возбужденного состояния, поскольку зеемановский сдвиг пропорционален напряженности поля, и в этой конфигурации напряженность поля линейна по положению. В ноте, уравнение Максвелла следует , что градиент поля в два раз сильнее по -направлению , чем в и -направлениях, и , таким образом улавливание силы вдоль -направления в два раз сильнее. ${\ Displaystyle \ набла \ cdot \ mathbf {B} = 0}$${\ displaystyle z}$${\ displaystyle x}$${\ displaystyle y}$${\ displaystyle z}$

В сочетании с магнитным полем пары встречных лазерных лучей с круговой поляризацией направляются вдоль трех ортогональных осей, что в сумме дает шесть лучей МОЛ (есть исключения из этого правила, но для создания пучка требуется минимум шесть лучей. 3D ТО). Лучи имеют красную отстройку от перехода на такую ​​величину , что или, что то же самое , где - частота лазерных лучей, а - частота перехода. Лучи должны иметь круговую поляризацию, чтобы поглощение фотонов могло происходить только для определенных переходов между основным состоянием и подуровнями возбужденного состояния , где${\ Displaystyle J = 0 \ rightarrow J = 1}$${\ displaystyle \ delta}$${\ Displaystyle \ дельта \ эквив \ омега _ {0} - \ омега> 0}$${\ displaystyle \ omega = \ omega _ {0} - \ delta}$${\ displaystyle \ omega}$${\ displaystyle \ omega _ {0}}$${\ displaystyle | 0,0 \ rangle}$${\displaystyle |1,m_{J}\rangle }$${\displaystyle m_{J}=-1,0,1}$. Другими словами, лучи с круговой поляризацией накладывают правила отбора на разрешенные электрические дипольные переходы между состояниями.

В центре ловушки магнитное поле равно нулю, и атомы «темны» для падающих отстроенных на красный свет фотонов. То есть в центре ловушки зеемановский сдвиг равен нулю для всех состояний, и поэтому частота перехода из остается неизменной. Расстройка фотонов от этой частоты означает, что не будет заметного количества поглощения (и, следовательно, излучения) атомами в центре ловушки, отсюда и термин «темный». Таким образом, самые холодные и медленно движущиеся атомы накапливаются в центре МОЛ, где они рассеивают очень мало фотонов. ${\displaystyle \omega _{0}}$${\displaystyle J=0\rightarrow J=1}$

Теперь рассмотрим атом, который движется в -направлении. Эффект Зеемана сдвигает энергию состояния ниже по энергии, уменьшая энергетический зазор между ним и состоянием; то есть частота, связанная с переходом, уменьшается. Отстроенные на красный цвет фотоны, которые вызывают только переходы, распространяющиеся в -направлении, таким образом, становятся ближе к резонансу по мере того, как атом движется дальше от центра ловушки, увеличивая скорость рассеяния и силу рассеяния. Когда атом поглощает фотон, он возбуждается до состояния и получает "толчок" импульса отдачи одного фотона в направлении, противоположном его движению, где${\displaystyle +z}$${\displaystyle |J=1,m_{F}=-1\rangle }$${\displaystyle |J=0,m_{j}=0\rangle }$${\displaystyle \sigma ^{-}}$${\displaystyle \Delta m_{J}=-1}$${\displaystyle -z}$${\displaystyle \sigma ^{-}}$${\displaystyle |J=1,m_{F}=-1\rangle }$${\displaystyle \hbar k}$${\displaystyle k=\omega _{0}/c}$. Атом, находящийся теперь в возбужденном состоянии, затем спонтанно испускает фотон в случайном направлении, и после многих событий поглощения-спонтанного излучения атом в среднем будет «оттеснен» назад к нулевому полю ловушки. Этот процесс захвата также будет происходить для атома, движущегося в -направлении, если фотоны движутся в -направлении, с той лишь разницей, что возбуждение будет от до, поскольку магнитное поле отрицательно для . Поскольку градиент магнитного поля вблизи центра ловушки однороден, то же самое явление захвата и охлаждения происходит и в направлениях и. ${\displaystyle -z}$${\displaystyle \sigma ^{+}}$${\displaystyle +z}$${\displaystyle |J=0,m_{j}=0\rangle }$${\displaystyle |J=1,m_{F}=+1\rangle }$${\displaystyle z<0}$${\displaystyle x}$${\displaystyle y}$

Математически сила радиационного давления, которую испытывают атомы в МОЛ, определяется следующим образом: ^[1]

${\displaystyle \mathbf {F} _{\mathrm {MOT} }=-\alpha \mathbf {v} -{\frac {\alpha g\mu _{B}}{\hbar k}}\mathbf {r} \nabla \|\mathbf {B} \|,}$

где коэффициент затухания, является Множитель Ланде и магнетон Бора.${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle g}$${\displaystyle \mu _{B}}$

Доплеровское охлаждение [ править ]

У фотонов есть импульс (где - приведенная постоянная Планка и волновое число фотона ), который сохраняется во всех атомно-фотонных взаимодействиях. Таким образом, когда атом поглощает фотон, ему перед поглощением передается импульс в направлении фотона. При отстройке лазерного луча до частоты, меньшей, чем резонансная частота (также известной как красная расстройка), лазерный свет поглощается только в том случае, если частота света повышается за счет эффекта Доплера , который возникает всякий раз, когда атом движется к лазерному источнику. . Это применяет силу трения к атому всякий раз, когда он движется к лазерному источнику.${\displaystyle \hbar k}$${\displaystyle \hbar }$${\displaystyle k}$

Чтобы охлаждение происходило по всем направлениям, атом должен испытывать эту силу трения по всем трем декартовым осям; Этого легче всего достичь, освещая атом тремя ортогональными лазерными лучами, которые затем отражаются обратно в том же направлении.

Магнитный захват [ править ]

Магнитный захват создается путем добавления пространственно изменяющегося магнитного квадрупольного поля к красному отстроенному оптическому полю, необходимому для лазерного охлаждения. Это вызывает зеемановский сдвиг _{магниточувствительных} уровней m _f , который увеличивается с увеличением радиального расстояния от центра ловушки. Из-за этого, когда атом удаляется от центра ловушки, атомный резонанс смещается ближе к частоте лазерного излучения, и атом с большей вероятностью получит фотонный удар по направлению к центру ловушки.

Направление удара задается поляризацией света, которая является либо левой, либо правой круговой, что дает различные взаимодействия с разными уровнями m _f . Используются правильные поляризации, чтобы фотоны, движущиеся к центру ловушки, находились в резонансе с правильным смещенным уровнем энергии атома, всегда перемещая атом к центру.

Атомная структура, необходимая для магнитооптического захвата [ править ]

Лазеры, необходимые для магнитооптического захвата рубидия 85: (a) и (b) показывают поглощение (красный цвет отстроен от пунктирной линии) и цикл спонтанного излучения, (c) и (d) - запрещенные переходы, (e) показывает, что если охлаждающий лазер возбуждает атом до состояния, ему разрешается распадаться до «темного» нижнего сверхтонкого состояния, F = 2, что остановило бы процесс охлаждения, если бы не перемодульный лазер (f).${\displaystyle F=3}$

Поскольку тепловой атом при комнатной температуре имеет импульс, во много тысяч раз превышающий импульс одиночного фотона, охлаждение атома должно включать множество циклов поглощения-спонтанного излучения, при этом атом теряет до k импульсов за каждый цикл. Из-за этого, если атом подлежит лазерному охлаждению, он должен обладать определенной структурой энергетических уровней, известной как замкнутая оптическая петля, где после события возбуждения-спонтанного излучения атом всегда возвращается в исходное состояние. ⁸⁵ Рубидий, например, имеет замкнутую оптическую петлю между состоянием и состоянием. Находясь в возбужденном состоянии, атому запрещается распадаться на любое из состояний, которые не сохраняют четность , а также запрещается распадаться на${\displaystyle 5S_{1/2}\ F=3}$${\displaystyle 5P_{3/2}\ F=4}$${\displaystyle 5P_{1/2}}$${\displaystyle 5S_{1/2}\ F=2}$ состояние, которое потребовало бы изменения углового момента на -2, что не может быть предоставлено одним фотоном.

Однако многие атомы, не содержащие замкнутых оптических контуров, все еще можно охлаждать с помощью лазера, используя лазеры с перекачкой, которые повторно возбуждают популяцию обратно в оптическую петлю после того, как она распалась до состояния вне цикла охлаждения. Магнитооптический захват рубидия 85, например, включает циклирование на замкнутом переходе. Однако при возбуждении необходимая для охлаждения отстройка дает небольшое, но ненулевое перекрытие с состоянием. Если атом возбужден до этого состояния, что происходит примерно каждые тысячу циклов, тогда атом может распадаться либо в верхнее сверхтонкое состояние, связанное со светом, либо в${\displaystyle 5S_{1/2}\ F=3\to 5P_{3/2}\ F=4}$${\displaystyle 5P_{3/2}\ F=3}$${\displaystyle F=3}$${\displaystyle F=2}$«темное» нижнее сверхтонкое состояние. Если он снова переходит в темное состояние, атом перестает переключаться между основным и возбужденным состояниями, и охлаждение и захват этого атома прекращаются. Лазер с повторной накачкой, который находится в резонансе с переходом, используется для рециркуляции населения обратно в оптический контур, чтобы охлаждение могло продолжаться.${\displaystyle 5S_{1/2}\ F=2\to 5P_{3/2}\ F=3}$

Аппарат [ править ]

Лазер [ править ]

Для всех магнитооптических ловушек требуется, по крайней мере, один захватывающий лазер плюс все необходимые лазеры-репамеры (см. Выше). Этим лазерам нужна стабильность, а не высокая мощность, требующая не больше, чем интенсивность насыщения, но ширина линии намного меньше доплеровской ширины, обычно несколько мегагерц. Из - за их низкую стоимость, компактных размеров и простоты использования, лазерные диоды используются для многих стандартных видов MOT в то время как ширина линия и стабильность этих лазеров управляются с помощью сервопривода системы, который стабилизирует лазеры на атомную опорную частоту с помощи, например, спектроскопия насыщенного поглощения и метод Паунда-Древер-Холла для генерации сигнала синхронизации.

Используя двумерную дифракционную решетку, можно генерировать конфигурацию лазерных лучей, необходимую для магнитооптической ловушки, из одного лазерного луча и, таким образом, иметь очень компактную магнитооптическую ловушку. ^[2]

Вакуумная камера [ править ]

Облако МОЛ загружается из фона теплового пара или из атомного пучка, обычно замедленного до скорости захвата с помощью зеемановского замедлителя . Однако потенциал захвата в магнитооптической ловушке мал по сравнению с тепловыми энергиями атомов, и большинство столкновений между захваченными атомами и фоновым газом поставляют захваченному атому достаточно энергии, чтобы выбить его из ловушки. Если фоновое давление слишком высокое, атомы выбрасываются из ловушки быстрее, чем они могут быть загружены, и ловушка не образуется. Это означает, что облако МОЛ образуется только в вакуумной камере с фоновым давлением менее 10 микропаскалей (10 ^-10 бар).

Пределы магнитооптической ловушки [ править ]

Минимальная температура и максимальная плотность облака в магнитооптической ловушке ограничиваются спонтанно испускаемым фотоном при охлаждении в каждом цикле. В то время как асимметрия возбуждения атома создает силы охлаждения и захвата, излучение спонтанно испускаемого фотона происходит в случайном направлении и, следовательно, способствует нагреванию атома. Из двух ударов k, которые атом получает в каждом цикле охлаждения, первый охлаждает, а второй нагревает: простое описание лазерного охлаждения, которое позволяет нам вычислить точку, в которой эти два эффекта достигают равновесия, и, следовательно, определить нижний предел температуры. , известный как предел доплеровского охлаждения .

Плотность также ограничена спонтанно испускаемым фотоном. По мере увеличения плотности облака вероятность того, что спонтанно испускаемый фотон покинет облако, не взаимодействуя с другими атомами, стремится к нулю. Поглощение соседним атомом спонтанно испускаемого фотона дает импульс импульса 2ħk между излучающим и поглощающим атомами, который можно рассматривать как силу отталкивания, аналогичную кулоновскому отталкиванию, которая ограничивает максимальную плотность облака.

Заявление [ править ]

В результате низкой плотности и скорости атомов, достигаемой за счет оптического охлаждения, длина свободного пробега в шаре атомов, охлаждаемых МОЛ, очень велика, и атомы можно рассматривать как баллистические . Это полезно для экспериментов с квантовой информацией, где необходимо иметь длительное время когерентности (время, которое атом проводит в определенном квантовом состоянии). Из-за непрерывного цикла поглощения и спонтанного излучения, который вызывает декогеренцию , любые эксперименты с квантовыми манипуляциями должны выполняться с выключенными лучами МОЛ. В этом случае обычно останавливают расширение газов во время экспериментов по квантовой информации, загружая охлажденные атомы в дипольную ловушку .

Магнитооптическая ловушка обычно является первым шагом к достижению бозе-эйнштейновской конденсации . Атомы охлаждаются в МОЛ до значения, в несколько раз превышающего предел отдачи, а затем охлаждаются испарением, что снижает температуру и увеличивает плотность до требуемой плотности фазового пространства.

МОЛ ¹³³ Cs использовалась, чтобы сделать одни из лучших измерений CP-нарушения . ^{[ необходима цитата ]}

См. Также [ править ]

• Дипольная ловушка
• Зееман медленнее

Ссылки [ править ]

• «Нобелевская премия по физике 1997 года» . Nobelprize.org. 15 октября 1997 . Проверено 11 декабря 2011 года .
• Рааб Э.Л .; Prentiss M .; Кабель А .; Чу С .; Причард Д.Е. (1987). «Захват нейтральных атомов натрия радиационным давлением». Письма с физическим обзором . 59 (23): 2631–2634. Bibcode : 1987PhRvL..59.2631R . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.59.2631 . PMID  10035608 .
• Меткалф, Гарольд Дж. И Стратен, Питер ван дер (1999). Лазерное охлаждение и улавливание . ISBN компании Springer-Verlag New York, Inc. 978-0-387-98728-6.
• Фут, CJ (2005). Атомная физика . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850696-6.
• Монро С., Суонн В., Робинсон Н., Виман С. (24 сентября 1990 г.). «Очень холодные атомы, захваченные в паровой камере» . Письма с физическим обзором . 65 (13): 1571–1574. Bibcode : 1990PhRvL..65.1571M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.65.1571 . PMID  10042304 .
• Liwag, John Waruel F. Охлаждение и захват атомов 87Rb в магнитооптической ловушке с использованием маломощных диодных лазеров, Тезис 621.39767 L767c (1999)
• KB Davis; MO Mewes; MR Эндрюс; NJ van Druten; DS Durfee; DM Kurn & W Ketterle (1997-11-27). «Конденсация Бозе-Эйнштейна в газе атомов натрия» . Письма с физическим обзором . 75 (22): 3969–3973. Bibcode : 1995PhRvL..75.3969D . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.75.3969 . PMID  10059782 . S2CID  975895 .
• CC Nshii; М. Вангелейн; JP Cotter; П.Ф. Гриффин; EA Hinds; CN Ironside; П. См; А. Г. Синклер; Э. Риис и А.С. Арнольд (май 2013 г.). «Чип с рисунком поверхности как мощный источник сверххолодных атомов для квантовых технологий». Природа Нанотехнологии . 8 (5): 321–324. arXiv : 1311.1011 . Bibcode : 2013NatNa ... 8..321N . DOI : 10.1038 / nnano.2013.47 . PMID  23563845 . S2CID  205450448 .
• Г. Пуэнтес (июль 2020 г.). «Дизайн и конструкция магнитных катушек для экспериментов по квантовому магнетизму» . Квантовые отчеты . 2 (3): 378–387. DOI : 10.3390 / quantum2030026 .