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Kalte Atome durch Laser Thomas Gantner Laserkühlung.

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Präsentation zum Thema: "Kalte Atome durch Laser Thomas Gantner Laserkühlung."—  Präsentation transkript:

1 Kalte Atome durch Laser Thomas Gantner Laserkühlung

2 Gliederung 1. Erste Ideen & Prinzip 2. Dopplerkühlen 3. Polarisationsgradientenkühlen 4. Anwendungen

3 Anfänge Vorhersage aus den Maxwellschen Gleichungen 1873: elektromagnetische Wellen können Druck auf einen Körper auswirken 1) Erste experimentelle Beobachtung 1901 von Peter Lebedew 2) Sichtbare Folge: Von der Sonne weggekrümmter Kometenschweif /images/kp/experimente/komet_high_res.jpg 1)A treatise on electricity and magnetism. Vol. 2 / by James Clerk Maxwell, Clarendon press (Oxford) )Peter Lebedew, Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes Ann. d. Phys 6. p

4 Anfänge Zur starken Beeinflussung von Atomen sind intensivere, monochromatische Lichtquellen nötig => Laser Erste Vorschläge zur Laserkühlung:  Für neutrale Atome: Hänsch und Schawlow )  Für Ionen: Wineland und Dehmelt )  70er und 80er Jahre experimentelle Umsetzung und Erklärung der Subdopplerkühlung (Nobelpreis 1997 für Chu, Phillips und Cohen- Tannoudji nobelprize.org 1)Hänsch, 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)

5 Idee Rückstoß durch Absorption Keine Nettokraft durch Emission Geschwindigkeitsänderung pro gestreutem Photon (Rubidium) v rec = ħ k/m Atom =6 mm/s ca Absorptionen In 1D zwei Laser aus beiden Richtungen Phillips nobel lecture

6 Dopplerverschiebung Geschwindigkeitsabhängige Absorption Absorption nur bei Resonanzfrequenz ω A Dopplerverschiebung, bei RT Laser rotverstimmt ω L < ω A Detuning Resonanzfrequen z Geschwindigkeit in Laserrichtung

7 Dopplerkühlung quantitativ Zwei-Niveau-Atom Resonanzfrequenz ω A Atomgeschwindigkeit v => Nettokraft F=- α v Tannoudji/Phillips

8 Probleme beim Dopplerkühlen Abkühlen in kleinem Geschwindigkeitsintervall Lösungen: 1. Chirping: Verstimmen der Laserfrequenz 2. Zeeman-cooling: Verstimmen der Atomresonanz Γ ΔωΔω Häufigkeit

9 Zeeman-cooling Großes B => großes Δω ZM entgegen Δω D Verändertes B => für andere Atomgeschwindigkeit in Resonanz Phillips nobel lecture v z z ω

10 Probleme beim Dopplerkühlen Reale Atome sind keine Zwei- Niveau-Systeme! Zerfall in andere, nicht gekoppelte Zustände Repumping in das 2-Niveau System

11 Problem des Zeeman-cooling Zeeman-splitting Nur ein Zeeman-Niveau passend verschoben Kühlen mit σ + -polarisiertem Licht m= m= σ+σ+ |e> |g> m=-1 m=0 m=1 ωLωL |e> |g> m=-1 m=0 m=1 ωLωL

12 Kühlen in 3D, „optische Melasse“ 3D-Kühlen mit 6 Laserstrahlen Gedämpfte Bewegung durch geschwindigkeitsabhängige Kraft Melasse: zähe Flüssigkeit Kurze freie Weglängen „random walk“

13 Dopplertemperatur Limit:Dopplertemperatur T D. Unteres Limit aufgrund der Linienbreite Γ Heizprozess währende des random walk Typische Werte:  Dopplertemperatur für Rubidium ≈ 140 μ K  Dopplergeschwindigkeit ≈0,2m/s (zum Vergleich: Geschwindigkeit bei RT≈300m/s)  notwendige Photonenstöße zum Erreichen der Dopplergeschwindigkeit ≈50000 Resonanzfrequenz Geschwindigkeit in Laserrichtung

14 Subdopplerkühlen 1987 bemerkten Phillips et. al dass sie deutlich unter die Dopplertemperatur kühlen konnten Größeres Detuning -> kleinere Temperatur Lösung: kein 2-Level-Atom! Phillips nobel lecture Fig. 16

15 Polarisationsgradientenkühlen 1989, Dalibard und Cohen-Tannoudji: Laserkühlen in einem Lichtfeld mit Polarisationsgradienten Ein Beispiel: lin perp. lin: Auch σ + - σ - -Konfiguration möglich

16 Polarisationsgradientenkühlen Lichtverschiebung Verschiebung:mit der Rabifrequenz Clebsch-Gordon-Koeffizienten beim J=1/2 ↔ J=3/2 Übergang: Unterschiedliche Verschiebung der Zustände Dalibard & Cohen-Tannoudji 1989 g -1/2 g +1/2 g -1/2 g +1/2

17 Polarisationsgradientenkühlen Die Grundzustände g -1/2 und g +1/2 werden je nach Polarisation unterschiedlich stark besetzt Im stationären Fall: Dalibard & Cohen-Tannoudji 1989

18 Polarisationsgradientenkühlen Mittlere Zeit τ p bis Photon- Absorption Funktioniert nur, solange die Atome noch genug Energie haben Name nach der griechischen Mythologie: Sisyphus-Kühlen Dalibard & Cohen-Tannoudji c/gallery/sisyphus_c.html

19 Recoil-limit Potentialabstand zwischen den Niveaus verkleinern recoil-limit: Rückstoßimpuls vom Phton Rubidium: Dalibard & Cohen-Tannoudji 1989

20 Anwendungen Grundlage für viele weiterführende Experimente:  Atomfallen  Hochauflösende Spektroskopie (Wegfall der Dopplerbreite)  Atomuhren  Atome in optischen Gittern  Herstellung eines BEC ……

21 Zusammenfassung Bremskraft durch Impulsübertrag bei Absorption Dopplerlimit Polarisationsgradientenkühlen, Verschieben der Resonanz durch den light shift und räumlich variierende Besetzungswahrscheinlichkeit Recoil-limit: Subrecoil-kühlen Kalte Atome als Grundlage für weitere Experimente

22 Quellen 1) A treatise on electricity and magnetism. Vol. 2 / by James Clerk Maxwell, Clarendon press (Oxford) ) Peter Lebedew, Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes Ann. d. Phys 6. p ) Hänsch, 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)


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