Зееман медленнее - Википедия - Zeeman slower

Зееман медленнее

А Зееман медленнее или же Зеемановский замедлитель это научный аппарат это обычно используется в квантовая оптика охладить луч атомов от комнатной температуры или выше до нескольких кельвины. На входе зеемановского замедлителя средняя скорость атомов составляет порядка нескольких сотен м / с. Разброс скорости также составляет несколько сотен м / с. Конечная скорость на выходе из более медленной составляет несколько 10 м / с с еще меньшим разбросом.

Медленнее Зеемана состоит из цилиндр, через которую проходит луч, a лазер накачки светится на луч в направлении, противоположном движению луча, и магнитное поле (обычно производится соленоид -подобная катушка), которая направлена ​​вдоль оси симметрии цилиндра и изменяется в пространстве вдоль оси цилиндра. Лазер накачки, который должен быть почти резонансным по отношению к атомному или молекулярному переходу, Допплер замедляет определенный класс скорости в распределении скоростей луча. Пространственно изменяющиеся Зеемановская смена резонансной частоты позволяет более низкому и низкому скоростным классам резонировать с лазером, поскольку атомный или молекулярный пучок распространяется вдоль более медленного, следовательно, замедляя пучок.

История

Впервые он был разработан Уильям Д. Филлипс (кто был награжден Нобелевская премия по физике за это открытие в 1997 г. вместе с Стивен Чу и Клод Коэн-Таннуджи «За разработку методов охлаждения и улавливания атомов лазерным светом»^[1]) и Гарольд Дж. Меткалф.^[2] Достижение этих низких температур привело к экспериментальной реализации Конденсация Бозе – Эйнштейна, и зеемановский замедлитель может быть частью такого аппарата.

Принцип

Согласно принципам Доплеровское охлаждение, атом, моделируемый как двухуровневый атом можно охлаждать с помощью лазера. Если он движется в определенном направлении и встречает встречный лазер Луч резонирует со своим переходом, он, скорее всего, поглотит фотон. Поглощение этого фотона дает атому "толчок" в направлении, которое согласуется с сохранение импульса и доводит атом до его возбужденное состояние. Однако это состояние нестабильно, и через некоторое время атом распадается обратно в основное состояние через спонтанное излучение (через время порядка наносекунд, например в Рубидии 87, возбужденное состояние перехода D2 имеет время жизни 26,2 нс.^[3]). Фотон будет повторно излучен (и атом снова увеличит свою скорость), но его направление будет случайным. При усреднении по большому количеству этих процессов, примененных к одному атому, можно увидеть, что процесс поглощения снижает скорость всегда в одном и том же направлении (поскольку поглощенный фотон исходит от однонаправленного источника), тогда как процесс излучения не приводит к каким-либо изменениям. в скорости атома, потому что направление излучения случайно. Таким образом, лазерный луч эффективно замедляет атом.

Тем не менее, в этой базовой схеме есть проблема из-за Эффект Допплера. Резонанс атома довольно узкий (порядка нескольких мегагерц ), а после уменьшения его импульса на несколько импульсы отдачи, его больше нет в резонанс с лучом накачки, потому что в его рамке частота лазера сместилась. Зееман медленнее^[4] использует тот факт, что магнитное поле может изменять резонансную частоту атома с помощью Эффект Зеемана чтобы решить эту проблему.

Среднее ускорение (из-за множества событий поглощения фотонов с течением времени) атома с массой, ${ displaystyle M}$, циклический переход с частотой, ${ displaystyle omega = ck + delta}$, и ширина линии, ${ displaystyle gamma}$, то есть при наличии лазерного луча, волновое число, ${ displaystyle k}$, и интенсивность ${ displaystyle I = s_ {0} I_ {s}}$ (куда ${ displaystyle I_ {s} = hbar c gamma k ^ {3} / 12 pi}$ это интенсивность насыщения лазера)

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

В системе покоя атомов со скоростью ${ displaystyle v}$, в атомном пучке частота лазерного пучка сдвинута на величину ${ displaystyle k_ {L} v}$. При наличии магнитного поля ${ displaystyle B}$, атомный переход сдвинут по Зееману на величину ${ displaystyle mu 'B / hbar}$ (куда ${ displaystyle mu '}$ - магнитный момент перехода). Таким образом, эффективная расстройка лазера от резонансной частоты атомов в нулевом поле равна

${ displaystyle delta '= delta + kv - { frac { mu' B} { hbar}}}$

Атомы, для которых ${ displaystyle delta '= 0}$ испытает наибольшее ускорение, а именно

${ displaystyle a = eta a_ {max}}$

куда ${ displaystyle eta = s_ {0} / (1 + s_ {0})}$ и ${ displaystyle a_ {max} = { frac { hbar k gamma} {2M}}}$.

Наиболее распространенный подход - требовать, чтобы у нас был профиль магнитного поля, который изменяется в ${ displaystyle z}$ направление такое, что атомы испытывают постоянное ускорение ${ displaystyle a = eta a_ {max}}$ как они летают по оси медленнее. Однако недавно было показано, что другой подход дает лучшие результаты.^[5]

При постоянном замедлении мы получаем:

${ displaystyle v left (z right) = { sqrt {v_ {i} ^ {2} -2az}}}$

${ displaystyle B left (z right) = { frac { hbar k} { mu '}} v + { frac { hbar delta} { mu'}} = { frac { hbar kv_ {i}} { mu '}} { sqrt {1 - { frac {2a} {v_ {i} ^ {2}}} z}} + { frac { hbar delta} { mu' }}}$

куда ${ displaystyle v_ {i}}$ - максимальный класс скорости, который будет замедлен; все атомы в распределении скоростей, которые имеют скорости ${ displaystyle v$ будут замедлены, а те, у которых скорости ${ displaystyle v> v_ {i}}$ вообще не будет замедляться. Параметр ${ displaystyle eta}$ (который определяет требуемую интенсивность лазера) обычно выбирается около 0,5. Если бы более медленный Zeeman работал с ${ displaystyle eta приблизительно 1}$, то после поглощения фотона и перехода в возбужденное состояние атом будет предпочтительно переизлучать фотон в направлении лазерного луча (из-за стимулированное излучение ), что противодействует замедлению процесса.

Реализация

Требуемый вид пространственно неоднородного магнитного поля, как мы показали выше, имеет вид

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

Это поле можно реализовать несколькими способами. Самая популярная конструкция требует намотки токоведущего провода с большим количеством слоев обмоток там, где поле наиболее сильное (около 20-50 витков), и с несколькими обмотками, где поле слабое. Альтернативные конструкции включают в себя: однослойную катушку с разным шагом обмотки.^[6] массив постоянных магнитов в различных конфигурациях,^{[7][8][9][10]}

Исходящие атомы

Медленник Зеемана обычно используется в качестве предварительного шага для охлаждения атомов с целью захвата их в магнитооптическая ловушка. Таким образом, он стремится к конечной скорости около 10 м / с (в зависимости от используемого атома), начиная с пучка атомов со скоростью несколько сотен метров в секунду. Конечная скорость, которая должна быть достигнута, - это компромисс между технической сложностью наличия длинного зеемановского медленника и максимальной скоростью, допускаемой для эффективной загрузки в ловушку.

Ограничением установки может быть поперечный нагрев балки.^[11] Это связано с колебаниями скорости по трем осям вокруг своих средних значений, поскольку конечная скорость считается средней по большому количеству процессов. Эти колебания связаны с атомом, имеющим Броуновское движение из-за случайного переизлучения поглощенного фотона. Они могут вызвать затруднения при загрузке атомов в следующую ловушку.

Рекомендации