Kalte Atome durch Laser Thomas Gantner Laserkühlung Kalte Atome durch Laser Thomas Gantner

Polarisationsgradientenkühlen Anwendungen Gliederung Erste Ideen & Prinzip Dopplerkühlen Polarisationsgradientenkühlen Anwendungen

Anfänge Vorhersage aus den Maxwellschen Gleichungen 1873: elektromagnetische Wellen können Druck auf einen Körper auswirken1) Erste experimentelle Beobachtung 1901 von Peter Lebedew2) Sichtbare Folge: Von der Sonne weggekrümmter Kometenschweif http://www.dlr.de/schoollab/en/Portaldata/24/Resources/images/kp/experimente/komet_high_res.jpg A treatise on electricity and magnetism. Vol. 2 / by James Clerk Maxwell, Clarendon press (Oxford) 1873 Peter Lebedew, Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes Ann. d. Phys 6. p. 433. 1901

Anfänge Zur starken Beeinflussung von Atomen sind intensivere, monochromatische Lichtquellen nötig => Laser Erste Vorschläge zur Laserkühlung: Für neutrale Atome: Hänsch und Schawlow 19751) Für Ionen: Wineland und Dehmelt 19752) 70er und 80er Jahre experimentelle Umsetzung und Erklärung der Subdopplerkühlung (Nobelpreis 1997 für Chu, Phillips und Cohen- Tannoudji nobelprize.org Hänsch, T., and A. Schawlow, 1975, „Cooling of gases by laser radiation,“ Opt. Commun. 13, 68. D. Wineland, H. Dehmelt, Bull. Am. Soc. 20, 637 (1975)

Idee Rückstoß durch Absorption Keine Nettokraft durch Emission Geschwindigkeitsänderung pro gestreutem Photon (Rubidium) vrec=ħk/mAtom=6 mm/s ca. 50000 Absorptionen In 1D zwei Laser aus beiden Richtungen Phillips nobel lecture

Dopplerverschiebung Geschwindigkeitsabhängige Absorption Absorption nur bei Resonanzfrequenz ωA Dopplerverschiebung , bei RT Laser rotverstimmt ωL< ωA Detuning Resonanzfrequenz Geschwindigkeit in Laserrichtung

Dopplerkühlung quantitativ Zwei-Niveau-Atom Resonanzfrequenz ωA Atomgeschwindigkeit v => Nettokraft F=-αv Tannoudji/Phillips

Probleme beim Dopplerkühlen Abkühlen in kleinem Geschwindigkeitsintervall Lösungen: Chirping: Verstimmen der Laserfrequenz Zeeman-cooling: Verstimmen der Atomresonanz Häufigkeit Γ Δω

Zeeman-cooling Großes B => großes ΔωZM entgegen ΔωD v z z ω Phillips nobel lecture Großes B => großes ΔωZM entgegen ΔωD Verändertes B => für andere Atomgeschwindigkeit in Resonanz

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

Problem des Zeeman-cooling Zeeman-splitting Nur ein Zeeman-Niveau passend verschoben Kühlen mit σ+-polarisiertem Licht m= -2 -1 0 1 2 m= -1 0 1 σ+

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

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

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

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

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

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

Polarisationsgradientenkühlen Mittlere Zeit τp bis Photon- Absorption Funktioniert nur, solange die Atome noch genug Energie haben Name nach der griechischen Mythologie: Sisyphus-Kühlen Dalibard & Cohen-Tannoudji 1989 http://www.mythweb.com/encyc/gallery/sisyphus_c.html

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

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

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

Quellen A treatise on electricity and magnetism. Vol. 2 / by James Clerk Maxwell, Clarendon press (Oxford) 1873 Peter Lebedew, Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes Ann. d. Phys 6. p. 433. 1901 Hänsch, T., and A. Schawlow, „Cooling of gases by laser radiation,“ Opt. Commun. 13, 68 (1975) D. Wineland, H. Dehmelt, Bull. Am. Soc. 20, 637 (1975) 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) William D. Phillips, „Laser cooling and trapping of neutral atoms“, Reviews of Modern Physics, Vol. 70, No. 3, p.721 (1998) Tannoudji and Phillips, „New mechanisms for laser cooling”, Physics Today, p.33 (October 1990)