Übersicht. Laserkühlung. Matthias Pospiech. Universität Hannover

Transkript

1 Übersicht Universität Hannover

2 Übersicht Teil I: Einführung in die Dopplerkühlung Teil II: Experimentelle Realisierung Übersicht zu Teil I 1 Motivation 2 Photonenrückstoß Einführung Kräfte 3 Dopplerkühlung Kräfte Molasse Doppler Grenze

3 Übersicht Teil I: Einführung in die Dopplerkühlung Teil II: Experimentelle Realisierung Übersicht zu Teil II 4 Experimente Molasse Methoden der Temperaturmessung 5 Ausblick weitere Kühlungsmethoden Anwendungen Literatur

4 Motivation Photonenrückstoß Dopplerkühlung Teil I Einführung in die Dopplerkühlung

5 Motivation Photonenrückstoß Dopplerkühlung Warum ist Laser Kühlung von Interesse? Temperatur Atome in einem Gas bewegen sich sehr schnell: Raum Temperatur: 600 m /s 77 K (Stickstoff): 150 m /s 4 K (Helium): 90 m /s Nachteile: Dopplerverschiebung begrenzte Beobachtungszeit

6 Motivation Photonenrückstoß Dopplerkühlung Wie tief kann man heute kühlen

7 Motivation Photonenrückstoß Dopplerkühlung Einführung Kräfte 2-Niveau System (2 Level Atom) δ E f, f Γ cements ω L ω A E i, i

8 Motivation Photonenrückstoß Dopplerkühlung Einführung Kräfte Abbremsen durch Photonenrückstoß Annahmen Atome laufen Laserstrahl entgegen 2-Niveau System Laserfrequenz ω L auf Resonanz i f abgestimmt

9 Motivation Photonenrückstoß Dopplerkühlung Einführung Kräfte Absorptions- und Emissionsprozess für ein Photon

10 Motivation Photonenrückstoß Dopplerkühlung Einführung Kräfte Absorptions- und Emissionsprozesse für viele Photonen Absorption gerichtet Gesamtimpuls: p = n k Emission statistisch verteilt Gesamtimpuls: p t = 0

11 Absorption frag replacements Motivation Photonenrückstoß Dopplerkühlung Einführung Kräfte k Mv i Mv f Impulserhaltung: Mv i k = Mv f v f = v i ω L Mc Energieerhaltung: Mv 2 i 2 + ω L = Mv2 f 2 + ω A ω A = ω L kv i + k2 2M Abbremsung der Atome Dopplerverschobene Resonanzfrequenz ω A Atome laufen aus der Resonanzfrequenz heraus GHz/ms

12 Motivation Photonenrückstoß Dopplerkühlung Einführung Kräfte Geschwindigkeitsverteilung ohne

13 Motivation Photonenrückstoß Dopplerkühlung Einführung Kräfte ohne nur ein geringer Teil wird gebremst Beispiel Änderung pro Photon: 50kHz Änderung je 200 Photonen: 10 MHz Vergleich: Linienbreite von Na: Γ/2π = 10 MHz Geschwindigkeitsänderung: 6 m/s

14 Motivation Photonenrückstoß Dopplerkühlung Einführung Kräfte Geschwindigkeitsverteilung mit

15 Motivation Photonenrückstoß Dopplerkühlung Einführung Kräfte Kraft auf ein Atom (spontaneous force) Verstimmung des Lasers: ω L ω A = δ eff = δ kv Kraft F(v) = k Γ R mit R = 1 S S Absorptionsrate (saturation parameter) S = I/I 0 [ 1 + 2(δ kv) Γ ] 2 für I/I 0 1 Verhältnis von δ/γ bestimmend

16 Werte Motivation Photonenrückstoß Dopplerkühlung Einführung Kräfte Einzelne Photonen a 1 cm/s 2 Maximale Beschleunigung (Abbremsung) maximal nutzbare Laserintensität (I/I 0 1, δ= 0) Für Natrium (Na): a max = k Γ 2M a = 10 6 m/s 2 = 10 5 g mit: λ = 589 nm, 1/Γ = 16ns, M = 23 amu Stoppt eine Na-Atom mit 1000 m/s in 1 ms auf einer Strecke von 0, 5m!

17 Motivation Photonenrückstoß Dopplerkühlung Kräfte Molasse Doppler Grenze Kühlung bisher: Abbremsung eines Atomstrahls nur in einer Dimension gestoppte Atome werden auch wieder entgegengesetzt beschleunigt jetzt: Kühlung von Atomen Atomfallen Atome ohne Vorzugsrichtung (kein Strahl) entgegenläufige Laserstrahlen

18 Nettokraft Motivation Photonenrückstoß Dopplerkühlung Kräfte Molasse Doppler Grenze entgegengesetzte Laserstrahlen: starke Absorption starke Kraft wenig Absorption geringe Kraft Nettokraft F = k (S + S ) (für I/I 0 1) 1 1 F = ks 0 [ ] 2(δ kv) 2 [ 2(δ + kv) Γ Γ ] 2

19 Kräfte Motivation Photonenrückstoß Dopplerkühlung Kräfte Molasse Doppler Grenze

20 Molasse Motivation Photonenrückstoß Dopplerkühlung Kräfte Molasse Doppler Grenze Keine Falle Herkunft des Namens Molasse Atom wird in den Laserstrahlen festgehalten klebrig Bell Labs group (1985) : optical molasses Melasse = Rückstand bei der Zuckergewinnung

21 Motivation Photonenrückstoß Dopplerkühlung Kräfte Molasse Doppler Grenze Temperaturlimit : Doppler Grenze Näherung: Impuls der spontanen Emission im Mittel Null: p t = 0 Aufheizeffekt Spontane Emissionsprozesse entsprechen Brownscher Bewegung Doppler Grenze T D für sehr kalte Atome gilt Dopplerverschiebung sehr klein Verstimmung δ ( natürliche Linienbreite) Kühlrate Heizrate k B T D = Γ 2 Beispiel: Natrium: T D = 240µK

22 Experimente Ausblick Teil II Experimente

23 Experimente Ausblick Molasse Methoden der Temperaturmessung Methoden: Anpassen der Laserfrequenz (chirp-kühlung) Verändern der Resonanzfrequenz über Magnetfelder (Zeeman Kühlung) Chirp Cooling ( Ertmer, Blatt, Hull, Zhu) Repumper zweiter Laser müssen gepulst betrieben werden Zeeman Cooling ( Prodan, Phillips, Metcalf) wohldefinierte Quantisierungsachse Repumper nicht notwendig (je nach Atom)

24 Experimente Ausblick Termschema von Natrium Molasse Methoden der Temperaturmessung bisher Zwei Niveau System Idealisiertes Bild Natrium Termschema: 3 2 S 1/2 3 2 P 3/2

25 Experimente Ausblick Molasse Methoden der Temperaturmessung Zeeman Kühlung Zeeman: Kühlen MOT/Molasse: Stoppen (Falle)

26 Zeeman Kühlung Experimente Ausblick Molasse Methoden der Temperaturmessung Zirkular polarisiertes Licht σ + Übergang: 3S 1/2 (m F = 2) 3P 3/2 (m F = 3) Wahrscheinlichkeit für falschen Übergang extrem gering

27 Molasse Experimente Ausblick Molasse Methoden der Temperaturmessung

28 Experimente Ausblick Molasse/MOT:Umsetzung Molasse Methoden der Temperaturmessung Prof. Rudi Grimm - Ultrakalte Atome und Quantengase Universität Innsbruck

29 Experimente Ausblick Molasse Methoden der Temperaturmessung Magneto-optische Falle für metastabiles Helium Laser Centre Vrije Universiteit Amsterdam, Dr. W. Vassen

30 Experimente Ausblick Messung der Temperatur Molasse Methoden der Temperaturmessung Atomstrahlen Messung der Dopplerverschiebung : Abfragelaser Molasse Loslassen und Einfangen (release and capture) Flugzeit (time of flight - TOF)

31 Experimente Ausblick Molasse Methoden der Temperaturmessung Messung der Temperatur : Molasse Loslassen und Einfangen (release and capture)

32 Experimente Ausblick Molasse Methoden der Temperaturmessung Messung der Temperatur : Molasse Flugzeit (time of flight - TOF)

33 Experimente Ausblick weitere Kühlungsmethoden Anwendungen Literatur Entdeckung der Sub-Doppler Kühlung 1987: Daten stimmen nicht mit Doppler-Kühlungstheorie überein. Neue Messungen mit TOF-Methode: Sisyphus Kühlung (Claude Cohen-Tannoudji, Steven Chu)

34 Experimente Ausblick weitere Kühlungsmethoden Anwendungen Literatur weitere Kühlungsmethoden & Verbesserungen Methoden Sisyphus Kühlung Raman Kühlung Verdampfungskühlung (Evaporative Kühlung) Verbesserungen Weißlichtlaser

35 Anwendungen Experimente Ausblick weitere Kühlungsmethoden Anwendungen Literatur Atom Uhren Atomare Sensoren Bose-Einstein-Kondensate (BEC) Quanten Computer

36 Literatur Experimente Ausblick weitere Kühlungsmethoden Anwendungen Literatur William.D. Phillips Laser Cooling, Optical Traps and Optical Molasses. Elsevier Science Publishers B.V., 1992 William.D. Phillips Lasercooling and trapping of neutral atoms Reviews of Modern Physics, Vol 70, No 3, July 1998 Prof. Dieter Suter Lichtkräfte und Skript zur Laserspektroskopie, Kap. 5 Demtröder Laserspektroskopie (4. Auflage) The Nobel Foundation