wyklad13

Podsumowanie W12
Lasery w spektroskopii atomowej/molekularnej
a) spektroskopia klasyczna
b) spektroskopia bezdopplerowska
1. Spektroskopia nasyceniowa
• nasycenie
• selekcja prędkości
- wiązki pompująca & próbkująca – oddziaływanie selektywne prędkościowo
widma bezdopplerowskie
2. Spektroskopia dwufotonowa
N N
L 0
k
0 k
z
L 0
k
- kompensacja przesunięć dopplerowskich związanych z
wiązkami przeciwbieżnymi
ħ(2 + k• – k•) = 2ħ
0 Laser
Wielkie eksperymenty fizyki atomowej
- pomiar przesunięcia Lamba podstawowego stanu wodoru
(równoczesny pomiar widm linii Ly i H – „autokalibracja” energii przejść)
1
2
N 2()
21 2
JZ Podstawy Fizyki Atomowej, wg. wyk. W. Gawlika 1/16
T
D

Równoczesny pomiar widma H i Ly (przes. L. 1S)
laser
barwnikowy
laser N 2
486 nm
2 x
ampl.
S=816129 MHz
H
H
Det.
243 nm 243 nm
Det.
F-P
Det.
skala częst.
JZ Podstawy Fizyki Atomowej, wg. wyk. W. Gawlika 2/16
3
4
5
Ly H
2
1
243
243
486
2S 2P
121.5

poprawka błędu z W10
– Zmniejszenie rozszerz. dopplerowskiego
c
8 kBT
M
0 7
D 7,
1610
0
na ogół D 100 nat
ale D gdy:
T
0
gaz skolimowana wiązka atom./molek.
+ prostopadłe wzbudzanie i obserwacja
metody radiospektroskopii,
spektroskopii laserowej,
chłodzenie i pułapkowanie atomów i jonów
T
M
k
0
k
JZ Podstawy Fizyki Atomowej, wg. wyk. W. Gawlika 3/16
k

Pułapki jonowe i atomowe
• po co?
• Spowolnienie - eliminacja rozszerzeń:
Dopplerowskiego, zderzeniowego i przez skończony czas oddział.
• Lokalizacja w określonym miejscu i warunkach – możliwość
bezpośr. adresowania i badania nawet pojedynczych atomów
• Pojedyncze/liczne atomy w jamie potencjału kwantyzacja ruchu,
stan podstawowy, degeneracja kwantowa
Pułapkowanie jonów: - siły kulombowskie Pułapka Penninga (1936)
B (1T)
1-100 V
_
+
linie ekwipotencjalne
JZ Podstawy Fizyki Atomowej, wg. wyk. W. Gawlika 4/16

uch jonów/elektronów w
pułapce Penninga:
e, m
orbita
magnetronowa
m =cE r /Br
B
z
z

Pułapka Paula
obserwacja jonów:
pojedyncze jony – odparowanie (71 szt):
1989
W. Paul
(wspólnie z H. Dehmeltem
i N. Ramseyem)
JZ Podstawy Fizyki Atomowej, wg. wyk. W. Gawlika 6/16

Eksperymenty z pojedynczymi jonami
obraz jonu
jon
Liniowa pułapka jonowa q. computing ?
JZ Podstawy Fizyki Atomowej, wg. wyk. W. Gawlika 7/16

Przeskoki kwantowe
Mech. Kwant. przewiduje eksponencjalną lub
periodyczną zależność P if(t), ale to dotyczy
prawdopodobieństw. W konkretnej realizacji
nieciągłe przeskoki kwantowe
1989
H. Dehmelt
Obserwacja
– 1 atom (jon) z przejściem dozwolonym i wzbronionym ze stanu podst.,
wzbudzanymi jednocześnie dwiema wiązkami świetlnymi:
1 kwant niebieski steruje strumieniem
fotonów fioletowych:
I det
pojedynczy elektron w pułapce
– atom geonium
Pomiar g-2 (QED)
czas
JZ Podstawy Fizyki Atomowej, wg. wyk. W. Gawlika 8/16

Eksperyment
w National Phys. Lab. Teddington (U.K.)
„global atomic clock” (Dehmelt) przy pomocy
elektrycznego oktupolowego promieniowania (E3)
Zderzenia pojedynczy jon Yb + w pułapce Paula
Linie widmowe E3:
3
2
1
# skoków
171 Yb +
L
-504 -502 -500 -498 MHz
2 S1/2
2
P1/2
-1 10-10 s
2 D5/2
JZ Podstawy Fizyki Atomowej, wg. wyk. W. Gawlika 9/16
15
10
5
# skoków
2 F7/2
τ 5.4
172 Yb +
L
270 271 272 273 MHz
Yb +
9.3
3.6
lat

Spowalnianie i pułapkowanie atomów światłem
siły optyczne:
• siła spontaniczna (siła ciśnienia światła) F rp przekaz pędu (ciśnienie światła)
G(
r)
F k
rp 2 2
( k v)
/ 1
G(
r)
• siła dipolowa (reaktywna) – klasyczne wciąganie dielektryka (>0, n>1) do pola el.
G(
r)
(niejednorodnego)
F ( k v)
d 2 2
2 ( k v)
/ 1
G(
r)
• wartość siły rezonansowo
zależy od (Fd nierezonansowo)
• atom może mieć n > < 1
• siła F > d < 0 (wciąga lub wypycha)
< 0
F d
-||/k
F rp
0 v z
1
0
JZ Podstawy Fizyki Atomowej, wg. wyk. W. Gawlika 10/16
G(r)
1 D
E(
r)
2
k
2
I(
r)
I
S

Jak chłodzić atomy?
Podstawy chłodzenia i
pułapkowania atomów światłem
laserowym –
1997
CHŁODZENIE ATOMÓW FOTONAMI (siły
spontaniczne):
wiązka lasera wiązka atomów
p = ħ k abs - ħ k em = N ħ k L – 0
S.Chu,C.Cohen-Tannoudji,W.Phillips
atomy sodu:
M=23, = 590 nm
v = 600 m/s (@ 400 K)
po zabsorbowaniu 1 fotonu:
v R = ħk/M = 3 cm/s
20 000 fotonów do zatrzymania
@ I = 6 mW/cm 2
czas zatrzymania: 1 ms
droga hamowania: 0,5 m
przyspieszenie: 10 6 m/s 2
JZ Podstawy Fizyki Atomowej, wg. wyk. W. Gawlika 11/16

GAZ ATOMOWY ?
dwie przeciwbieżne wiązki laserowe
(ta sama częstość; L < 0 ) 0 Dla L < 0 , efekt Dopplera dostraja atomy do rezonansu z
przeciwbieżnymi wiązkami
k
( k v)
L 0 L Fotony pochłonięte mają energię mniejszą niż reemitowane
opóźniająca siła (chłodzenie)
JZ Podstawy Fizyki Atomowej, wg. wyk. W. Gawlika 12/16
siła
L
G(
r)
F
rp 2 2
/ 1
G(
r)

Wypadkowa siła:
siła
-||/k 0 /k vz Dla małych prędkości: F -v
„lepkość” OPTYCZNA MELASA
zerowa siła dla v=0
k k
chłodzenie
JZ Podstawy Fizyki Atomowej, wg. wyk. W. Gawlika 13/16

Jak pułapkować
-
zimne atomy?
siła zależna od położenia:
F(x) -x
x=0
JZ Podstawy Fizyki Atomowej, wg. wyk. W. Gawlika 14/16
ħ L
B(x)
m=+1
m=0
m=–1
x
+
pułapka atomowa

?
1-D 3-D
JZ Podstawy Fizyki Atomowej, wg. wyk. W. Gawlika 15/16
I
I

Pomiar temperatury:
@ T 0,0001 K
atom 30 cm/sek
N 10 6 at. Rb 85 , T 100 K
czas przelotu
JZ Podstawy Fizyki Atomowej, wg. wyk. W. Gawlika 16/16
0