EHN 14 1994_Rebeliones en Sonora XVIII_Jose Luis Mirafuentes Galvan
Atomfallen Sebastian Ehn 18.05.2011. 0. Motivation oder: Warum Atome einfangen? 18.05.2011Atomfallen...
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Sebastian Ehn18.05.2011
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Atomfallen
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0. Motivation
oder: Warum Atome einfangen?
18.05.2011
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0. Motivation
•Die herkömmlichen Methoden haben erhebliche Nachteile:
▫Verschlechterung der Auflösung z.B. durch„harte“ Stöße mit den Gefäßwändenzu kurze WW-Zeiten in Atomstrahlen
▫Keine Beobachtung von Effekten bei extrem niedrigen Temperaturen möglich
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0. Motivation
Die Lösung:Atomfallen
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Inhalt:•1. Grundlagen jedes Fallentyps
▫1.1 Grundlagen & Kenngrößen▫1.2 Verschiedene Fallentypen
•2. Fallen für neutrale Atome▫2.1 Magneto-optische Falle (MOT)▫2.2 Dipolfallen▫2.3 Magnetische Fallen▫2.4 Elektrische Fallen
•3. Ionenfallen (separater Vortrag)•4. Abschließender Vergleich der
Fallentypen und ihrer Parameter
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1.1 Grundlagen & Kenngrößen• Grundprinzip: Ortsabhängige Kräfte
innerhalb der Falle wichtig für Einschluss
• Fallentiefe: Tiefe ΔE des Potentialtopfes, angegeben als Temperatur Td:
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1.1 Grundlagen & Kenngrößen• Grundprinzip: Ortsabhängige Kräfte
innerhalb der Falle wichtig für Einschluss
• Fallenfrequenz: Oszillationsfrequenz des Teilchens im harmonischen Oszillatorpotential der Falle
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1.2 Verschiedene Fallentypen
•Strahlungsdruck-Fallen:▫Wichtigstes Bsp.: MOT
▫Arbeitsprinzip: Rückstoß der Atome
▫Typische Fallentiefen: wenige Kelvin
▫ + Möglichkeit, Atome aus thermischem Hintergrundgas zu fangen
▫+ Fängt und kühlt gleichzeitig
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1.2 Verschiedene Fallentypen
•Optische Dipolfallen:
▫Arbeitsprinzip: elektrische Dipol-WW
▫Typische Fallentiefen: ≤ 1 mK
▫ + Fangmechanismus unabhängig von der elektronischen Struktur der
Atome-> Dynamik der Zustände ist experimentell voll zugänglich
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1.2 Verschiedene Fallentypen
•Magnetische Fallen:
▫Arbeitsprinzip: magnetische Dipol-WW
▫Typische Fallentiefen: ≈ O(100 mK)
▫Fangmechanismus ist zustandsabhängig
▫ + Ideale Falle zur Erzeugung von BEC
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1.2 Verschiedene Fallentypen
•Elektrische Falle:
▫Arbeitsprinzip: Stark-Shift im elektrischen Feld
▫Typische Fallentiefen: ≈ O(10 μK)
▫Experimentell untergeordnete Rolle
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2. Fallen für Neutrale Atome
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2.1 Magneto-optische Falle (MOT)•Zeeman-Aufspaltung in schwachem
Magnetfeld:
•Aufspaltung eines 2-Niveau Systems (|S=0>, |S=1>) in einem linearen Magnetfeld:
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E.L. Raab et al.: Trapping of neutral Atoms with Radiation Pressure.Phys. Rev. Lett. 59, 2631–2634 (1987)
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2.1 Magneto-optische Falle (MOT)
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• Übergänge zwischen Niveaus mit Δm= ±1 werden von σ±-polarisiertem Licht getrieben
• Strahlungsdruck wirkt als rückstellende Kraft
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2.1 Magneto-optische Falle (MOT)
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• Kraft auf ein Atom in der MOT (rotating wave app.):
• hier:Γ: StreurateS0: SättigungsparameterΔω: Detuning des Lasers, ergänzt um Dopplereffekt und Strahlungsdruck
• Nachteile:Starke Lichtstreuung durch Verwendung von nah resonantem Licht (hohe Heizraten)Zustandsabhängigkeit der rücktreibenden Kraft
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2.1 Magneto-optische Falle (MOT)
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• Atome innerhalb einer Falle werden durch interne Prozesse geheizt
• Wichtigster Heizprozess bei MOT: Spontane Emission-> nettomäßiger Impulsübertrag auf das Atom
Besonders wichtig bei nah-resonanter Strahlung!
• Zusätzlich: Stöße mit Hintergrundgas entvölkern die Falle
Quelle: Wikipedia
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2.1 Magneto-optische Falle (MOT)
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•Kühlung der Atome notwendig!
•Aufgrund extrem niedriger Temperaturen Anwendung der Laserkühlung▫Dopplerkühlung▫Optische Melasse▫…
•Gleichgewicht zwischen Heiz- und Kühlprozessen-> Limitierung der Lebensdauer der Fallen
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2.1 Magneto-optische Falle (MOT)
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•Experimentelle Realisierung:▫z.B. E.L. Raab, S. Chu et al. 1987▫Benutzter Übergang: 3S1/2 – 3P3/2 in Na
Atomen▫Magnetfeldanordnung: sphärischer
Quadrupol
Steven Chu
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2.1 Magneto-optische Falle (MOT)
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•Experimentelle Realisierung:▫Gefangene Atome in MOT:
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2.1 Magneto-optische Falle (MOT)
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•Anwendungsbeispiele:
▫Sehr gute Vorstufe zur Produktion kalter Atome, Messung erfolgt dann nach Transfer in andere Fallen
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2.2 Dipolfalle•Funktionsweise:
▫Induziertes elektrisches Dipolmoment der Atome wechselwirkt mit dem Lichtfeld der Falle
α:komplexe Polarisierbarkeit ▫In der rotating wave app. ergibt sich letztlich
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2.2 Dipolfalle•Funktionsweise:
▫Kraft in rotverstimmten (Δ ≤ 0) Fallen wirkt in Richtung hoher Intensitäten.
▫Für die Streurate der einfallenden Photonen ergibt sich
Δ: DetuningΓ: spontane Emissionsrate
▫Streurate bestimmt die Heizleistung!
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R. Grimm et al.: Optical dipole traps for neutral atoms. arXiv:physics/9902072v1
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2.2 Dipolfalle
•Funktionsweise:▫Optimierung der Falle durch Wahl möglichst
großer Verstimmungen bei gegebener Intensität
▫Zusätzlicher Heizeffekt: Parametrisches HeizenModulation des Fallenpotentials mit der doppelten Fallenfrequenz führt zu Energiegewinn der gefangenen Atome
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2.2 Dipolfalle• Rotverstimmte Fallen:
▫Einfachster Fall : Focused-beam trap:
▫Durch Linsen fokussierter gaußscher Laserstrahl
▫Sehr guter radialer Einschluss, schlechter axialer Einschluss
▫Ausdehnung der Falle: ≈ 10 μm radial
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2.2 Dipolfalle•Rotverstimmte Fallen:
▫Erweiterung : Crossed-beam trap:
▫Zwei fokussierte gaußsche Laserstrahlen, senkrecht auf einender
▫Sehr guter Einschluss in alle Raumrichtungen▫Ausdehnung der Falle: ≈ 10 μm pro
Raumrichtung
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2.2 Dipolfalle•Rotverstimmte Fallen:
▫Standing-wave trap:
▫Extrem guter Einschluss in axialer Richtung (Bäuche der Stehwelle)
▫Ausdehnung der Falle: O (λ) axial
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2.2 Dipolfalle
•Anwendungsbeispiele:
▫„Optische Pinzette“:Festhalten und Bewegen ganzen Moleküle oder auch Zellen in der biologischen Forschung
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2.3 Magnetische Falle•Funktionsweise:
▫Wechselwirkung des atomaren magnetischem Moments mit äußerem statischen Magnetfeld:
▫gF: Landé-FaktorμB: Bohrsches MagnetonmF: Quantenzahlen des Gesamtdrehimpuls
(Spin + Bahndrehimpuls + Kernspin)
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2.3 Magnetische Falle•Funktionsweise:
▫Bedingungen an Atomzustände:„weak-field seeking“
▫Grund: statische e.m. Felder können im Vakuum keine lokalen Maxima haben
▫Typische Fallentiefen: ≈100 mK
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2.3 Magnetische Falle•Experimentelle Realisierungen:
▫Quadrupolfalle: Bmin = 0 im Zentrum der Falle Erste Realisierung: Migdall et al., 1985 Zwei Spulen in Anti-Helmholtz Anordnung Größte Limitierung der Lebensdauer:
Spin-Flips im Zentrum der Falle
Schema einer QuadrupolfalleQuelle: Bergeman1987
Equipotentialflächen der Quadrupolfalle
18.05.2011
T. Bergeman et al.: Magnetostatic trapping fields for neutral atoms. Phys. Rev. A 35, 1535–1546 (1987)
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2.3 Magnetische Falle
•Anwendungsbeispiele:
▫Herstellung von Bose-Einstein Kondensaten(separater Vortrag)
▫Hochauflösende Spektroskopie
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2.4 Elektrische Fallen•Funktionsprinzip:
▫Stark-Shift atomarer Niveaus in statischen elektrischen Feldern
α: atomare Polarisierbarkeit▫Atome minimieren Energie in Bereichen
hoher Feldstärke
▫Nur high-field seeker können eingefangen werden
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2.4 Elektrische Fallen
•Funktionsprinzip:
▫Unmöglichkeit lokaler Maxima der Feldstärke im Vakuum für statische Felder
▫Verwendung „pseudostatischer“ (langsam veränderlicher) AC-Felder
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2.4 Elektrische Fallen•Experimentelle Realisierung:
▫Three-Phase electric trap:
A: Schema des Fallenaufbaus, B: Schaltsequenz der Elektroden,C-D: el. Feldstärke in der x-y-Ebene zu jeder Phase
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3. Ionenfallen
•Einschluss von Ionen durch Coulombkräfte in e.m. Feldern
•Extrem lange Einschlusszeiten (Wochen!)
• -> Separater Vortrag
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4. Abschließender Vergleich der Fallentypen und ihrer Parameter
18.05.2011
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4. Abschließender Vergleich der Fallentypen und ihrer Parameter
MOT Magnetische Falle Dipolfalle Elektrische
Falle
Typ. Fallentiefe wenige Kelvin ≈ 100 mK ≤ 1 mK ≈ 10 μK
Pro/Contra+ Fängt und Kühlt
- Ständige Beeinflussung der Atome durch optische
Melasse
+ Einfache Kühlung - Teils komplizierter Versuchsaufbau
+ Fangmechanismus nicht
zustandsabhängigKeine Rolle im
Alltag
18.05.2011
•Atome können für mehrere Minuten eingefangen und auf T ≤ 1 µK gekühlt werden
•Lebensdauer der Falle ist wg. Heizprozessen limitiert
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Fragen…
18.05.2011
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Dipolfallen• Blauverstimmte Fallen:
▫Evanescent-wave trap:
▫Evaneszente Wellen ergeben sich bei Reflexion einer Welle an einer Grenzfläche zw. Dielektrikum und Vakuum
▫Exponentieller Abfall der (blauverstimmten) evaneszenten Welle im Vakuum-> Oberfläche wirkt wie idealer Spiegel
▫Einfang der Atome durch zusätzliche Potentiale (Van der Waals, rotvertimmter Laser, …)
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Atomfallen
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Dipolfallen•Blauverstimmte Fallen:
▫Evanescent-wave trap:
Links: Potentialverlauf als Summe aus blauverstimmten Dipolfeld und Van der Waals Potential (schwarze Linie)Rechts: Fallengeometrie
Oben: Schematische Darstellung einer Falle aus blauverstimmten evaneszenten und rotverstimmten StehwellenUnten: Fallengeometrie
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Dipolfallen•Blauverstimmte Fallen:
▫Spezialfall: GOST (Gravito-optical surface trap)
▫Einschluss an der Oberfläche als Kombination aus Gravitation und evanescent-wave trap über einem Prisma
▫Einschluss in der horizontalen erflogt durch einen blauverstimmten Hohlstrahl
GOST, Ladung der Falle erfolgt aus MOTQuelle: Ovchinnikov1997
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Dipolfallen•Blauverstimmte Fallen:
▫Spezialfall: GOST (Gravito-optical surface trap)
oben: MOTMitte: GOSTunten: Spiegelbild der MOTQuelle: Ovchinnikov1997
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2.3 Magnetische Falle•Experimentelle Realisierungen:
▫Ioffe-trap: Bmin ≠ 0 im Zentrum der Falle
Schema der Ioffe-FalleQuelle: Bergeman1987
Equipotentialflächen der Ioffe-FalleQuelle: Bergeman1987
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2.3 Magnetische Falle•Anwendungsbeispiele:
▫Magnetischer Transport: mechanische Bewegung einer Quadrupolfalle
Hintereinanderschalten mehrerer Quadrupolfallen:Bewegung der Atome durch Variation der Ströme durch die Spulen (rot dargestellt)
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