Doppler Kühlung : Kühlen im 2 Niveausystem. Frank Ziesel. Anwendungen. Optische Melasse. Kühlen in 3 Niveausystemen

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Andreas Kappel
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1 Dopplerkühlen von Atomstrahlen und optische Melasse Doppler Kühlung : Kühlen im 2 Niveausystem Anwendungen Zeeman Slower Chirped Slower Institut für Quanteninformationsverarbeitung Universität Ulm Optische Melasse Einleitung Energieübergänge Doppler Limit Zeeman Aufspaltung Laserkonfiguration Anwendung Kühlen in 3 Niveausystemen Raman Kühlen 1

2 Doppler Kühlen Temperaturvergleich K mk µk nk Sonnenoberfläche Raumtemperatur flüssiges Helium Helium Kryostat Doppler Limit Photon Rückstoß Limit Raman Kühllimit Evaporation BEC 2

3 Erstes Experiment [1] 3

4 Erstes Experiment [1] 4

5 Geschichte Experiment Theorie D. Wineland and H. Dehmelt, Bull. Am. Phys. Soc. 20, 637 (1975) 5

6 Doppler Kühlen Photonenabsorbtion Impulsübertrag Statistisch verteilte Emission in alle Raumrichtungen mv ℏ k ℏ k mv Na [3] 23 v 0 =105 cm/s v=3 cm/s Emissionen 5 a 10 g ℏ k' ℏ mv k k' 6

7 Dopplerverschiebung Resonanzfrequenz Blau verschoben Rot verschoben Energie des Photons E=ℏ =h 7

8 Termschema 85 F=3 F=2 P3/2 2 n F=1 F=0 ck pu m pe n rü le Spinflip, Streulicht oder Magnetfeldschwankungen ändern Energiezustand Festsitzen auf unerreichbarem Niveau zusätzlicher Rückpumplaser um Verlassen des Kühlzyklus leerzupumpen möglichst geringe Zahl an Energieniveaus (keine Moleküle) kü h Rb D2-Linien 0,38 0,16 S1/2 2 F=2 0,13 F=1 8

9 Doppler Kühlen Maximaler Impulsübertrag F max = p ℏ k = t 2 geschwindigkeitsabhängige Kraft F =± I /Is ±kv 2 ℏk natürliche Linienbreite I Laserintensität I S Sättigungsintensität Laserverstimmung 9

10 Übergangswahrscheinlichkeiten Na Wahl des Kühlübergangs Übergang mit hoher Streurate benutzen Energieniveauabstand groß genug Mit Laserlinienbreite realisierbar [9] 10

11 Doppler Limit Bei welchem Laserdetuning wird die Minimale Temperatur erreicht? Minimale Temperatur bei = /2 Kühlrate Akühl= de dt I /Is ±kv 2 ℏ k v Heizrate de Aheiz = dt kühl = 2 4 I / Is 1 d p2 ℏ k = = 2 2M dt 2M 1 2 / heiz Doppler Limit (Doppler Temperatur) ℏ T D= 2 kb 23 Na : T D =240 µk Linienbreite Laserverstimmung 11

12 Photon Rückstoß Limit Alle Laser Kühlmethoden basieren auf Licht Atom Wechselwirkung Impulsübertrag durch Photonenemission ℏ2 k2 Tr= kb m 23 k Na : T r =2.4 µk = v ℏk m 12

13 Einfangbereich Effektiver Geschwindigkeitsbereich bei Dopplereffekt sehr klein verschiedene Möglichkeiten um den Bereich anzupassen anpassen der Laserfrequenz anpassen des Energieübergangs [4] 13

14 Zeeman Aufspaltung Linienaufspaltung 87 Rb E=a B Übergänge auswählbar durch Polarisation des Laserlichts + m F = 1 - m F = 1 [6] 14

15 Dopplerkühlen von Atomstrahlen und optische Melasse Doppler Kühlung : Kühlen im 2 Niveausystem Anwendungen Zeeman Slower Chirped Slower Optische Melasse Einleitung Energieübergänge Doppler Limit Zeeman Aufspaltung Laserkonfiguration Anwendung Kühlen in 3 Niveausystemen Raman Kühlen 15

16 Zeeman slower Anpassen der maximal möglichen Kraft an Geschwindigkeit der Teilchen Veränderung der Energieübergänge durch Zeemanaufspaltung Magnetfeldverlauf MPI-K Heidelberg Selim Jochim 16

17 Zeeman slower kontinuierliches Kühlen eines Atomstrahls Laden von magneto optischen Fallen (MOT) 17

18 Zeeman slower Effektives Abbremsen über großen Geschwindigkeitsbereich Halbwertsbreite v=80 m/s v C=800 m/s 18

19 Chirped laser slower Anpassung des Einfangbereichs durch anpassung der Laserfrequenz Laserpulse mit Frequenzverlauf [4] 19

20 Chirped laser slower Simulationen der Geschwindigkeitsänderungen [5] 20

21 Dopplerkühlen von Atomstrahlen und optische Melasse Doppler Kühlung : Kühlen im 2 Niveausystem Anwendungen Zeeman Slower Chirped Slower Optische Melasse Einleitung Energieübergänge Doppler Limit Zeeman Aufspaltung Laserkonfiguration Anwendung Kühlen in 3 Niveausystemen Raman Kühlen 21

22 Optische Melasse paarweise rotverschobene Strahlen 1, 2 oder 3 dimensionaler Einschluss Kraft bei kleinem Geschwindigkeitsintervall F = a v Reibung 22

23 Optische Melasse Kollimator für Atomstrahlen Dämpfen der transversalen Geschwindigkeitskompone nte mit Hilfe einer Optischer Melasse Fokussieren des Atomstrahls mit einer optischen oder magnetischen Linse Erzeugung eines paralellen Atomstrahls mit zweiter Optischen Melasse 23

24 Optische Melasse 24

25 Dopplerkühlen von Atomstrahlen und optische Melasse Doppler Kühlung : Kühlen im 2 Niveausystem Anwendungen Zeeman Slower Chirped Slower Optische Melasse Einleitung Energieübergänge Doppler Limit Zeeman Aufspaltung Laserkonfiguration Anwendung Kühlen in 3 Niveausystemen Raman Kühlen 25

26 Motivation Dopplerlimit als fundamentale Grenze? T D= ℏ, natürliche Linienbreite des Dopplerübergangs 2 kb Erzeugen von schärferen Übergängen durch 3 Niveausysteme Ramankühlen Dunkelresonanzkühlen Narrow line cooling 26

27 Raman Kühlen Cs Erzeugen eines schmalen Übergangs durch Verwendung eines dritten Niveaus Charakterisierung des Übergangs durch Detuning Δ und δ Temperatur 30nK Realisierung mit MOT [5] 27

28 References [1] R. Frisch, Z. Phys. 86, (1933) [2] T. E. Barrett et al., Phys. Rev. Lett. 67, 3483 (1991) [3] W. D. Phillips, Rev. Mod. Phys. 70, 721 (1998) [4] D. Suter, Vorlesung: Laserspektroskopie und Quantenoptik (2000) [5] R. Blatt, et al., Phys. Rev. A 34, 3022 (1986) [6] H. J. Metcalf, Laser Cooling and Trapping, Springer (1999) [7] V. Boyer et al., Phys. Rev. A 70, (2004) [8] D. Wineland and H. Dehmelt, Bull. Am. Phys. Soc. 20, 637 (1975) [9] Ungar et al. J. Opt. Soc. Am. B/Vol.6, No. 11 (1989) 28

29 Anhang [6] 29

30 Anhang [6] 30

31 Anhang [6] 31

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