Зееман медленнее

Зееман медленнее

Зеемановская медленнее или зеемановская замедлитель является научным аппаратом , который обычно используется в квантовой оптике для охлаждения пучка атомов от комнатной температуры или выше до нескольких градусов Кельвина . На входе зеемановского замедлителя средняя скорость атомов составляет порядка нескольких сотен м / с. Разброс скорости также составляет порядка нескольких сотен м / с. Конечная скорость на выходе из более медленного составляет несколько 10 м / с с еще меньшим разбросом.

Замедлитель Зеемана состоит из цилиндра , через который проходит луч, лазера накачки, который направлен на луч в направлении, противоположном движению луча, и магнитного поля (обычно создаваемого катушкой типа соленоида ), которое направлено вдоль ось симметрии цилиндра и изменяется в пространстве вдоль оси цилиндра. Лазер накачки, который должен быть почти резонансным для атомного или молекулярного перехода, доплеровский замедляет определенный класс скорости в пределах распределения скорости луча. Пространственно изменяющийся зеемановский сдвиг резонансной частоты позволяет более низкому и низкому скоростным классам резонировать с лазером, поскольку атомный или молекулярный пучок распространяется вдоль более медленного, следовательно, замедляя пучок.

История [ править ]

Впервые он был разработан Уильямом Д. Филлипсом (который был удостоен Нобелевской премии по физике за это открытие в 1997 году вместе со Стивеном Чу и Клодом Коэн-Таннуджи «за разработку методов охлаждения и захвата атомов лазерным светом» ^[1] ). и Гарольд Дж. Меткалф. ^[2] Достижение этих низких температур привело к экспериментальной реализации бозе-эйнштейновской конденсации , и зеемановский замедлитель может быть частью такого устройства.

Принцип [ править ]

Согласно принципам доплеровского охлаждения , атом, моделируемый как двухуровневый атом, может быть охлажден с помощью лазера. Если он движется в определенном направлении и встречает встречный лазерный луч, резонирующий с его переходом, он, скорее всего, поглотит фотон. Поглощение этого фотона дает атому "толчок" в направлении, совместимом с сохранением импульса, и переводит атом в возбужденное состояние . Однако это состояние нестабильно, и через некоторое время атом распадается обратно в основное состояние посредством спонтанного излучения (через время порядка наносекунд, например, в рубидии 87, возбужденное состояние перехода D2 имеет время жизни 26,2 нс.^[3] ). Фотон будет повторно излучен (и атом снова увеличит свою скорость), но его направление будет случайным. При усреднении по большому количеству этих процессов применительно к одному атому, можно увидеть, что процесс поглощения снижает скорость всегда в одном и том же направлении (поскольку поглощенный фотон исходит от однонаправленного источника), тогда как процесс излучения не приводит к каким-либо изменениям в скорости атома, потому что направление излучения случайное. Таким образом, лазерный луч эффективно замедляет атом.

Тем не менее, в этой базовой схеме есть проблема из-за эффекта Доплера . Резонанс атома довольно узкий (порядка нескольких мегагерц ), и после уменьшения его импульса на несколько импульсов отдачи он больше не находится в резонансе с лучом накачки, потому что в его структуре частота лазера сдвинулся. Замедлитель Зеемана ^[4] использует тот факт, что магнитное поле может изменять резонансную частоту атома, используя эффект Зеемана для решения этой проблемы.

Среднее ускорение (из - за многие события поглощения фотонов с течением времени) атома с массой, , переход на велосипеде с частотой, и шириной линией , , то есть в присутствии лазерного луча , который имеет волновое число , и интенсивность (где находится интенсивность насыщения лазера) является${\ displaystyle M}$${\ displaystyle \ omega = ck + \ delta}$${\ displaystyle \ gamma}$${\ displaystyle k}$${\ displaystyle I = s_ {0} I_ {s}}$${\ displaystyle I_ {s} = \ hbar c \ gamma k ^ {3} / 12 \ pi}$

${\displaystyle {\vec {a}}={\frac {\hbar {\vec {k}}\gamma }{2M}}{\frac {s_{0}}{1+s_{0}+\left(2\delta '/\gamma \right)^{2}}}}$

В системе покоя атомов со скоростью, в атомном пучке частота лазерного луча сдвинута на . В присутствии магнитного поля атомный переход сдвигается по Зееману на величину (где - магнитный момент перехода). Таким образом, эффективная отстройка лазера от резонансной частоты атомов в нулевом поле равна${\displaystyle v}$${\displaystyle k_{L}v}$${\displaystyle B}$${\displaystyle \mu 'B/\hbar }$${\displaystyle \mu '}$

${\displaystyle \delta '=\delta +kv-{\frac {\mu 'B}{\hbar }}}$

Атомы, для которых произойдет наибольшее ускорение, а именно${\displaystyle \delta '=0}$

${\displaystyle a=\eta a_{max}}$

где и .${\displaystyle \eta =s_{0}/(1+s_{0})}$${\displaystyle a_{max}={\frac {\hbar k\gamma }{2M}}}$

Наиболее распространенный подход состоит в том, чтобы потребовать, чтобы у нас был профиль магнитного поля, который изменяется в направлении, так что атомы испытывают постоянное ускорение, когда они летят вдоль оси более медленного. Однако недавно было показано, что другой подход дает лучшие результаты. ^[5]${\displaystyle z}$${\displaystyle a=\eta a_{max}}$

При постоянном замедлении мы получаем:

${\displaystyle v\left(z\right)={\sqrt {v_{i}^{2}-2az}}}$

${\displaystyle B\left(z\right)={\frac {\hbar k}{\mu '}}v+{\frac {\hbar \delta }{\mu '}}={\frac {\hbar kv_{i}}{\mu '}}{\sqrt {1-{\frac {2a}{v_{i}^{2}}}z}}+{\frac {\hbar \delta }{\mu '}}}$

где - класс максимальной скорости, при которой будет происходить замедление; все атомы в распределении скоростей, у которых есть скорости, будут замедлены, а те, что имеют скорости , вообще не будут замедлены. Параметр (который определяет требуемую интенсивность лазера) обычно выбирается около 0,5. Если бы работать с зеемановским замедлителем , то после поглощения фотона и перехода в возбужденное состояние атом предпочтительно повторно излучал бы фотон в направлении лазерного луча (из-за вынужденного излучения ), что противодействовало бы замедлению. процесс.${\displaystyle v_{i}}$${\displaystyle v<v_{i}}$${\displaystyle v>v_{i}}$${\displaystyle \eta }$${\displaystyle \eta \approx 1}$

Реализация [ править ]

Требуемый вид пространственно неоднородного магнитного поля, как мы показали выше, имеет вид

${\displaystyle B(z)=B_{0}+B_{a}{\sqrt {1-z/z_{0}}}}$

Это поле можно реализовать несколькими способами. Наиболее популярная конструкция требует наматывания токоведущего провода с большим количеством слоев обмоток там, где поле наиболее сильное (около 20-50 обмоток), и с несколькими обмотками, где поле слабое. Альтернативные конструкции включают: однослойную катушку с разным шагом обмотки. ^[6] массив постоянных магнитов в различных конфигурациях, ^{[7] [8] [9] [10]}

Исходящие атомы [ править ]

Зеемановский замедлитель обычно используется в качестве предварительного шага для охлаждения атомов с целью захвата их в магнитооптическую ловушку . Таким образом, он стремится к конечной скорости около 10 м / с (в зависимости от используемого атома), начиная с пучка атомов со скоростью несколько сотен метров в секунду. Конечная скорость, которая должна быть достигнута, - это компромисс между технической сложностью использования длинного зеемановского медленника и максимальной скоростью, допускаемой для эффективной загрузки в ловушку.

Ограничением установки может быть поперечный нагрев балки. ^[11] Это связано с колебаниями скорости по трем осям вокруг ее средних значений, поскольку конечная скорость считается средней по большому количеству процессов. Эти колебания связаны с броуновским движением атома из-за случайного переизлучения поглощенного фотона. Они могут вызвать затруднения при загрузке атомов в следующую ловушку.

Ссылки [ править ]