Lasercooling. Christoph Grzeschik. 03. Juni 2009

Transkript

1 Lasercooling Christoph Grzeschik 03. Juni Motivation und Grundlagen 2 Dopplerkühlen 3 Magneto-optische Fallen 4 Polarisationsgradienten Kühlen (Sisyphus)

2 Problemstellung Kontrolle von geladenen Teilchen und Objekten weitreichend möglich elektrische Felder Transistoren Millikan-Versuch Teilchenbeschleuniger... C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

3 Problemstellung Kontrolle von geladenen Teilchen und Objekten weitreichend möglich elektrische Felder Transistoren Millikan-Versuch Teilchenbeschleuniger... Problem bei Kontrolle neutraler Teilchen C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

4 bahnbrechende Erfolge Magneto-optische Falle Rubidiumatome bei 300µK Bose-Einstein-Kondensation Geschwindikgeitsverteilung von Rubidiumatomen NIST/JILA/CU-Boulder C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

5 Temperaturdefinition Thermodynamik System im thermodynamischen Gleichgewicht in Kontakt mit Wärmebad < E k >= 1 2 k BT nicht ganz adäquat da: kein Wärmeaustausch mit Wärmebad kein thermodynamisches Gleichgewicht C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

6 Physikalische Grundlagen Photon trägt Impuls p = h/λ Impulserhaltung als fundamentale Grundlage Wechselwirkung von induziertem Dipolmoment mit Feldgradienten C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

7 Physikalische Grundlagen Photon trägt Impuls p = h/λ Impulserhaltung als fundamentale Grundlage Wechselwirkung von induziertem Dipolmoment mit Feldgradienten primitive Laserfalle S. Chu Optische Pinzette (optical tweezer), Video C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

8 Resonante Anregungen Impulse bei resonanter Anregung Laser Cooling and Manipulation of Neutral Particles, Adams, Riis C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

9 Dopplerkühlen C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

10 Idee des Dopplerkühlens T. W. Hänsch and A. L. Schawlow, Opt. Commun., 13 (1975), 68. richtungssensitive resonante Streuung durch Dopplereffekt Kraftwirkung durch Dopplereffekt de.wikipedia, JKrieger F = α v C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

11 erstes Experiment Gruppe um Steven Chu, 1985 Phys. Rev. Lett. 55, (1985) Three-dimensional viscous confinement and cooling of atoms by resonance radiation pressure optische Melasse 10 5 Na-Atome in sichtbarer Wolke T 240µK v 60cm/s Stickstoff Raumtemperatur: v 400m/s Phys. Rev. Lett. 55, (1985) C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

12 Grenzen der Dopplerkühlung nur Komprimierung im Impulsraum somit keine lokale Komprimierung Dopplertemperatur als untere Grenze der Temperatur Dopplertemperatur T D = Γ 2k B für Zwei-Niveau-Model k B... Boltzmann-Konstante Γ... natürlich Linienbreite des Überganges C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

13 Magneto-optische Fallen (MOT) C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

14 Prinzip der magneto-optischen Falle de.wikipedia, JKrieger C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

15 Aufbau der magneto-optischen Falle de.wikipedia, JKrieger C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

16 Charakteristiken einer MOT Kompression und Kühlung in einem Aufbau keine präzise Justierung der Laser keine perfekte Polarisation der Laser nötig kleine Magnetfelder reichen aus (luftgekühlte Spulen) Alkali Atome bei Raumtemperatur fangbar günstige Diodenlaser kostengünstig C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

17 Polarisationsgradienten Kühlung C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

18 Kühlen unter das Doppler-Limit weitere Messungen mit optischen Melassen (Na) am NIST T = 43 ± 20µK Theorie T = 240µK Erklärungen Annahme von 2-Niveau-Modellen Annahme von reinem Polarisationszustand C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

19 Polarisationsgradienten lin lin- und σ + -σ -Aufbau Laser Cooling and Manipulation of Neutral Particles, Charles S. Adams, Erling Riis C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

20 Light-Shift mit Polarisationsgradienten J. Dalibar, C. Cohen-Tannoudji, Journal of the Opt. Soc of Am. B, Vol. 6 Nr. 11, p C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

21 Light-Shift Verschiebung der Grundzustandsenergien E g = δs 0C 2 ge 1 + (2δ/Γ) 2 Niveaus J g = 1/2 /J e = 3/2 J. Dalibar, C. Cohen-Tannoudji, Journal of the Opt. Soc of Am. B, Vol. 6 Nr. 11, p C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

22 Kühlen mit dem Sisyphus-Prinzip Light-Shift lin lin Sisyphus-Prinzip J. Dalibar, C. Cohen-Tannoudji, J. of the Opt. Soc of Am. B, Vol. 6 Nr. 11, p J. Dalibar, C. Cohen-Tannoudji, J. of the Opt. Soc of Am. B, Vol. 6 Nr. 11, p C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

23 zum Schluss Recoil-Limit Trec = ~mkkb Sub-Recoil-Cooling evaporative Ku hlung C. Grzeschik (Humboldt-Universita t zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

24 zum Schluss Recoil-Limit Trec = ~mkkb Sub-Recoil-Cooling evaporative Ku hlung Nobelpreis fu r ihre Entwicklung von Methoden zum Ku hlen und Einfangen von Atomen mit Hilfe von Laserlicht William Phillips Steven Chu Claude Cohen-Tannoudji wikipedia.org C. Grzeschik (Humboldt-Universita t zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22

25 Literatur Harold J. Metcalf, Peter van der Straten, Laser Cooling and Trapping, Springer Journal of the Optical Society of America B, Optical Physics, Vol. 6 Number 11 Charles S. Adams, Erling Riis, Laser Cooling and Manipulation of Neutral Particles, Cambridge University Press Ketterle et al., Bose-Einstein Condensation in a gas of sodium atoms, Physical Review Letters, Vol. 75 Nr. 22, Chu et al., Three-Dimensional Viscous Confinement and Cooling Of Atoms by Resonance Radiation Pressure, Physical Review Letters, Vol. 55 Nr. 1, 48-51, Wikipedia.org C. Grzeschik (Humboldt-Universität zu Berlin) Lasercooling 03. Juni / 22