Kalte Atome durch Laser Thomas Gantner

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

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

2 Polarisationsgradientenkühlen Anwendungen
Gliederung Erste Ideen & Prinzip Dopplerkühlen Polarisationsgradientenkühlen Anwendungen

3 Anfänge Vorhersage aus den Maxwellschen Gleichungen : elektromagnetische Wellen können Druck auf einen Körper auswirken1) Erste experimentelle Beobachtung 1901 von Peter Lebedew2) Sichtbare Folge: Von der Sonne weggekrümmter Kometenschweif 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

4 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)

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

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

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

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

9 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

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+

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 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

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 g-1/2 g+1/2 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 τp bis Photon- Absorption Funktioniert nur, solange die Atome noch genug Energie haben Name nach der griechischen Mythologie: Sisyphus-Kühlen Dalibard & Cohen-Tannoudji 1989

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 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 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)