Transcript of Kalte Atome durch Laser Thomas Gantner Laserkühlung.
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- Kalte Atome durch Laser Thomas Gantner Laserkhlung
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- Gliederung 1. Erste Ideen & Prinzip 2. Dopplerkhlen 3.
Polarisationsgradientenkhlen 4. Anwendungen
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- Anfnge Vorhersage aus den Maxwellschen Gleichungen 1873:
elektromagnetische Wellen knnen Druck auf einen Krper auswirken 1)
Erste experimentelle Beobachtung 1901 von Peter Lebedew 2)
Sichtbare Folge: Von der Sonne weggekrmmter Kometenschweif
http://www.dlr.de/schoollab/en/Portaldata/24/Resources
/images/kp/experimente/komet_high_res.jpg 1)A treatise on
electricity and magnetism. Vol. 2 / by James Clerk Maxwell,
Clarendon press (Oxford) 1873 2)Peter Lebedew, Untersuchungen ber
die Druckkrfte des Lichtes Ann. d. Phys 6. p. 433. 1901
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- Anfnge Zur starken Beeinflussung von Atomen sind intensivere,
monochromatische Lichtquellen ntig => Laser Erste Vorschlge zur
Laserkhlung: Fr neutrale Atome: Hnsch und Schawlow 1975 1) Fr
Ionen: Wineland und Dehmelt 1975 2) 70er und 80er Jahre
experimentelle Umsetzung und Erklrung der Subdopplerkhlung
(Nobelpreis 1997 fr Chu, Phillips und Cohen- Tannoudji
nobelprize.org 1)Hnsch, T., and A. Schawlow, 1975, Cooling of gases
by laser radiation, Opt. Commun. 13, 68. 2)D. Wineland, H. Dehmelt,
Bull. Am. Soc. 20, 637 (1975)
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- Idee Rcksto durch Absorption Keine Nettokraft durch Emission
Geschwindigkeitsnderung pro gestreutem Photon (Rubidium) v rec =
k/m Atom =6 mm/s ca. 50000 Absorptionen In 1D zwei Laser aus beiden
Richtungen Phillips nobel lecture
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- Dopplerverschiebung Geschwindigkeitsabhngige Absorption
Absorption nur bei Resonanzfrequenz A Dopplerverschiebung, bei RT
Laser rotverstimmt L < A Detuning Resonanzfrequen z
Geschwindigkeit in Laserrichtung
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- Dopplerkhlung quantitativ Zwei-Niveau-Atom Resonanzfrequenz A
Atomgeschwindigkeit v => Nettokraft F=- v
Tannoudji/Phillips
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- Probleme beim Dopplerkhlen Abkhlen in kleinem
Geschwindigkeitsintervall Lsungen: 1. Chirping: Verstimmen der
Laserfrequenz 2. Zeeman-cooling: Verstimmen der Atomresonanz
Hufigkeit
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- Zeeman-cooling Groes B => groes ZM entgegen D Verndertes B
=> fr andere Atomgeschwindigkeit in Resonanz Phillips nobel
lecture v z z
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- Probleme beim Dopplerkhlen Reale Atome sind keine Zwei-
Niveau-Systeme! Zerfall in andere, nicht gekoppelte Zustnde
Repumping in das 2-Niveau System
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- Problem des Zeeman-cooling Zeeman-splitting Nur ein
Zeeman-Niveau passend verschoben Khlen mit + -polarisiertem Licht
m= -2 -1 0 1 2 m= -1 0 1 ++ |e> |g> m=-1 m=0 m=1 LL |e>
|g> m=-1 m=0 m=1 LL
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- Khlen in 3D, optische Melasse 3D-Khlen mit 6 Laserstrahlen
Gedmpfte Bewegung durch geschwindigkeitsabhngige Kraft Melasse: zhe
Flssigkeit Kurze freie Weglngen random walk
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- Dopplertemperatur Limit:Dopplertemperatur T D. Unteres Limit
aufgrund der Linienbreite Heizprozess whrende des random walk
Typische Werte: Dopplertemperatur fr Rubidium 140 K
Dopplergeschwindigkeit 0,2m/s (zum Vergleich: Geschwindigkeit bei
RT300m/s) notwendige Photonenste zum Erreichen der
Dopplergeschwindigkeit 50000 Resonanzfrequenz Geschwindigkeit in
Laserrichtung
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- Subdopplerkhlen 1987 bemerkten Phillips et. al dass sie
deutlich unter die Dopplertemperatur khlen konnten Greres Detuning
-> kleinere Temperatur Lsung: kein 2-Level-Atom! Phillips nobel
lecture Fig. 16
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- Polarisationsgradientenkhlen 1989, Dalibard und
Cohen-Tannoudji: Laserkhlen in einem Lichtfeld mit
Polarisationsgradienten Ein Beispiel: lin perp. lin: Auch + - -
-Konfiguration mglich
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- Polarisationsgradientenkhlen Lichtverschiebung Verschiebung:mit
der Rabifrequenz Clebsch-Gordon-Koeffizienten beim J=1/2 J=3/2
bergang: Unterschiedliche Verschiebung der Zustnde Dalibard &
Cohen-Tannoudji 1989 g -1/2 g +1/2 g -1/2 g +1/2
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- Polarisationsgradientenkhlen Die Grundzustnde g -1/2 und g +1/2
werden je nach Polarisation unterschiedlich stark besetzt Im
stationren Fall: Dalibard & Cohen-Tannoudji 1989
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- Polarisationsgradientenkhlen Mittlere Zeit p bis Photon-
Absorption Funktioniert nur, solange die Atome noch genug Energie
haben Name nach der griechischen Mythologie: Sisyphus-Khlen
Dalibard & Cohen-Tannoudji 1989 http://www.mythweb.com/ency
c/gallery/sisyphus_c.html
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- Recoil-limit Potentialabstand zwischen den Niveaus verkleinern
recoil-limit: Rckstoimpuls vom Phton Rubidium: Dalibard &
Cohen-Tannoudji 1989
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- Anwendungen Grundlage fr viele weiterfhrende Experimente:
Atomfallen Hochauflsende Spektroskopie (Wegfall der Dopplerbreite)
Atomuhren Atome in optischen Gittern Herstellung eines BEC
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- Zusammenfassung Bremskraft durch Impulsbertrag bei Absorption
Dopplerlimit Polarisationsgradientenkhlen, Verschieben der Resonanz
durch den light shift und rumlich variierende
Besetzungswahrscheinlichkeit Recoil-limit: Subrecoil-khlen Kalte
Atome als Grundlage fr weitere Experimente
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- Quellen 1) A treatise on electricity and magnetism. Vol. 2 / by
James Clerk Maxwell, Clarendon press (Oxford) 1873 2) Peter
Lebedew, Untersuchungen ber die Druckkrfte des Lichtes Ann. d. Phys
6. p. 433. 1901 3) Hnsch, T., and A. Schawlow, Cooling of gases by
laser radiation, Opt. Commun. 13, 68 (1975) 4) D. Wineland, H.
Dehmelt, Bull. Am. Soc. 20, 637 (1975) 5) J.Dalibard and C.
Cohen-Tannoudji, Laser cooling below the Doppler limt by
polarization gradients: simple theoretical models, J. Opt. Soc. Am.
B, Vol. 6, No. 11, p.2023(1989) 6) William D. Phillips, Laser
cooling and trapping of neutral atoms, Reviews of Modern Physics,
Vol. 70, No. 3, p.721 (1998) 7) Tannoudji and Phillips, New
mechanisms for laser cooling, Physics Today, p.33 (October
1990)