Zeeman wolniej

Wolniejszy Zeeman przed włączeniem go do większego eksperymentu z zimnym atomem.

Spowalniacz Zeemana to urządzenie naukowe powszechnie stosowane w fizyce atomowej do spowalniania i schładzania wiązki gorących atomów do prędkości kilku metrów na sekundę i temperatur poniżej kelwina . Atomy w fazie gazowej stosowane w fizyce atomowej są często generowane w piecu przez podgrzanie stałej lub ciekłej próbki atomowej do temperatur, w których prężność pary jest wystarczająco wysoka, aby w fazie gazowej znajdowała się znaczna liczba atomów. Atomy te wydostają się z otworu w piecu ze średnimi prędkościami rzędu setek m/s i dużymi rozkładami prędkości (ze względu na ich wysoką temperaturę). Spowalniacz Zeemana jest przymocowany blisko miejsca, w którym gorące atomy opuszczają piec i służy do spowolnienia ich do mniej niż 10 m/s (spowolnienie) przy bardzo małym rozkładzie prędkości (chłodzenie).

Spowalniacz Zeemana składa się z cylindra , przez który przechodzi wiązka atomowa, lasera pompującego , który rozchodzi się przeciwnie do kierunku wiązki, oraz pola magnetycznego (zwykle wytwarzanego przez cewkę podobną do solenoidu ), które jest skierowane wzdłuż osi cylindra z przestrzennym zmienna wielkość. Laser pompujący, od którego wymaga się prawie rezonansu z przejściem atomowym, Doppler spowalnia pewną klasę prędkości w ramach rozkładu prędkości wiązki. Przestrzennie zmienne pole magnetyczne jest zaprojektowane do przesunięcia Zeemana częstotliwość rezonansowa, aby dopasować się do malejącego przesunięcia Dopplera, gdy atomy są spowalniane do niższych prędkości, podczas gdy propagują się przez Zeemana wolniej, pozwalając laserowi pompującemu na ciągły rezonans i dostarczanie siły spowalniającej.

Historia

Wolniejszy Zeeman został po raz pierwszy opracowany przez Harolda J. Metcalfa i Williama D. Phillipsa (który otrzymał 1/3 Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1997 r . Częściowo za pracę nad wolniejszym Zeemanem). Osiągnięcie tak niskich temperatur utorowało drogę do eksperymentalnej realizacji kondensacji Bosego-Einsteina , a wolniejszy Zeeman może być częścią takiego aparatu.

Zasada

Zgodnie z zasadami chłodzenia dopplerowskiego atom modelowany jako atom dwupoziomowy można schłodzić za pomocą lasera. Jeśli porusza się w określonym kierunku i napotyka przeciwbieżną laserową rezonującą z jej przejściem, jest bardzo prawdopodobne, że pochłonie foton. Absorpcja tego fotonu daje atomowi „kopniaka” w kierunku zgodnym z zasadą zachowania pędu i doprowadza atom do stanu wzbudzonego . Jednak ten stan jest niestabilny i jakiś czas później atom rozpada się z powrotem do stanu podstawowego poprzez spontaniczną emisję (po czasie rzędu nanosekund, na przykład w rubidzie 87 stan wzbudzony przejścia D2 ma czas życia 26,2 ns). Foton zostanie ponownie wyemitowany (a atom ponownie zwiększy swoją prędkość), ale jego kierunek będzie losowy. Uśredniając dużą liczbę tych procesów zastosowanych do jednego atomu, widać, że proces absorpcji zmniejsza prędkość zawsze w tym samym kierunku (ponieważ absorbowany foton pochodzi ze źródła jednokierunkowego), podczas gdy proces emisji nie prowadzi do żadnych zmian w prędkości atomu, ponieważ kierunek emisji jest losowy. W ten sposób atom jest skutecznie spowalniany przez wiązkę laserową.

Niemniej jednak w tym podstawowym schemacie występuje problem związany z efektem Dopplera . Rezonans atomu jest raczej wąski (rzędu kilku megaherców ), a po zmniejszeniu jego pędu o kilka pędów odrzutu nie jest już w rezonansie z wiązką pompującą, ponieważ w jego układzie częstotliwość lasera przesunął się. Wolniejszy Zeeman wykorzystuje fakt, że pole magnetyczne może zmienić częstotliwość rezonansową atomu za pomocą efektu Zeemana , aby rozwiązać ten problem.

$)$ atomu o masie cykliczne przejście z częstotliwością i ${\ Displaystyle \ omega = ck + \ delta$ } szerokość linii $Displaystyle$ czyli w obecności wiązki laserowej, która ma liczbę falową , $k}$ i intensywność ${\ displaystyle I = s_ {0} ja_ {s} }$$I_ {s} = \ hbar c \ gamma k ^ {3}/12 \ pi}$ gdzie intensywność nasycenia lasera) jest

${\ Displaystyle {\ vec {a}} = {\ Frac {\ hbar {\ vec {k}} \ gamma}} 2M}}{\frac {s_{0}}{1+s_{0}+\left(2\delta '/\gamma \right)^{2}}}}$

W pozostałej ramce atomów z prędkością, w wiązce atomowej częstotliwość wiązki laserowej jest przesunięta o $k$$displaystyle k_ {L} v}$ . W obecności pola magnetycznego przejście atomowe jest przesuwane przez Zeemana o wartość (gdzie $μ$$\ displaystyle \ mu 'B/\ hbar}$$'}$ jest momentem magnetycznym przejścia). Tym samym skuteczny odstrojenie lasera od częstotliwości rezonansowej pola zerowego atomów

${\ Displaystyle \ delta '= \ delta + kv - {\ Frac {\ mu 'B} {\ hbar}}}$

Atomy, dla których $mianowicie$ , a

${\ Displaystyle a = \ eta a _ {\ tekst {max}}}$

gdzie $=$ za $={\frac {\hbar k\gamma }{2M}}}$${$ .

Najczęstszym podejściem jest wymaganie, abyśmy mieli profil pola magnetycznego, który zmienia się w $a$ tak, że atomy doświadczają stałego przyspieszenia $= \ eta a_ {\ text { max}}},$ gdy lecą wzdłuż osi wolniejszego. Ostatnio wykazano jednak, że inne podejście daje lepsze wyniki.

W podejściu ze stałym opóźnieniem otrzymujemy:

${\ Displaystyle v \ lewo (z \ prawej) = {\ sqrt {v_ {i} ^ {2} -2az}}}$

${\ Displaystyle B \ lewo (z \ prawej) = {\ Frac {\ hbar k} {\ mu '}} v + {\ Frac {\ hbar \ delta} {\ mu '}} = {\ Frac {\ hbar kv_ {i}}{\mu '}}{\sqrt {1-{\frac {2a}{v_{i}^{2}}}z}}+{\frac {\hbar \delta}} {\mu ' }}}$

gdzie $;$ maksymalną klasą prędkości, która zostanie wszystkie atomy w rozkładzie prędkości, które mają prędkości, zostaną spowolnione, a te o prędkościach $i$ zostaną spowolnione $}}$ w ogóle. Parametr $.$ który określa wymaganą intensywność lasera) jest zwykle wybierany na około 0,5 Gdyby wolniejszy Zeeman miał być obsługiwany z ${\ Displaystyle \ eta \ około 1}$ , a następnie po wchłonięciu fotonu i przejściu do stanu wzbudzonego atom preferencyjnie ponownie wyemitowałby foton w kierunku wiązki laserowej (z powodu emisji wymuszonej ), co przeciwdziałałoby spowalniający proces.

Realizacja

Wymagana postać przestrzennie niejednorodnego pola magnetycznego, jak pokazaliśmy powyżej, ma postać

${\ Displaystyle B (z) = B_ {0} + B_ {a} {\ sqrt {1-z / z_ {0}}}}$

Pole to można realizować na kilka różnych sposobów. Najbardziej popularna konstrukcja wymaga owinięcia przewodu z prądem wieloma uzwojeniami warstwowymi, w których pole jest najsilniejsze (około 20-50 zwojów) i kilkoma uzwojeniami, w których pole jest słabe. Alternatywne konstrukcje obejmują: cewkę jednowarstwową, która zmienia się w skoku uzwojenia, układ magnesów trwałych w różnych konfiguracjach.

Wychodzące atomy

Spowalniacz Zeemana jest zwykle używany jako wstępny krok do schłodzenia atomów w celu uwięzienia ich w pułapce magnetooptycznej . Dąży więc do osiągnięcia prędkości końcowej około 10 m/s (w zależności od użytego atomu), zaczynając od wiązki atomów o prędkości kilkuset metrów na sekundę. Ostateczna prędkość do osiągnięcia jest kompromisem między techniczną trudnością posiadania długiego Zeemana wolniejszego a maksymalną prędkością pozwalającą na efektywne załadowanie do pułapki.

Ograniczeniem ustawienia może być poprzeczne nagrzewanie belki. Jest to związane z fluktuacjami prędkości wzdłuż trzech osi wokół jej wartości średnich, ponieważ prędkość końcowa była określana jako średnia z dużej liczby procesów. ruchem Browna atomu z powodu losowej reemisji zaabsorbowanego fotonu. Mogą one powodować trudności przy ładowaniu atomów do kolejnej pułapki.