Dopplerkühlen von Atomstrahlen und optische Melasse
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Dopplerkühlen von Atomstrahlen und optische Melasse Doppler Kühlung : Kühlen im 2­Niveausystem Anwendungen Zeeman Slower Chirped Slower Frank Ziesel Institut für Quanteninformationsverarbeitung Universität Ulm Optische Melasse Einleitung Energieübergänge Doppler­Limit Zeeman­Aufspaltung Laserkonfiguration Anwendung Kühlen in 3­Niveausystemen Raman Kühlen Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 1 Doppler Kühlen Temperaturvergleich K mK µK nK 6000 300 30 3 300 30 3 300 30 3 300 30 3 Ulm, 05.11.2007 Sonnenoberfläche Raumtemperatur flüssiges Helium Helium Kryostat Doppler Limit Photon Rückstoß Limit Raman Kühllimit Evaporation – BEC Frank Ziesel 2 Erstes Experiment [1] Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 3 Erstes Experiment [1] Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 4 Geschichte Experiment Theorie D. Wineland and H. Dehmelt, Bull. Am. Phys. Soc. 20, 637 (1975) Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 5 Doppler Kühlen Photonenabsorbtion Impulsübertrag Statistisch verteilte Emission in alle Raumrichtungen mv ℏ k −ℏ k mv Na [3] 23 v 0 =105 cm/s v=3 cm/s 3⋅10 4 Emissionen 5 a≈10 g ℏ k' −ℏ mv k− k' Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 6 Dopplerverschiebung Resonanzfrequenz Blau verschoben Rot verschoben Energie des Photons E=ℏ =h Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 7 Termschema 85 Ulm, 05.11.2007 F=3 F=2 P3/2 2 n F=1 F=0 ck pu m pe n rü le Spinflip, Streulicht oder Magnetfeldschwankungen ändern Energiezustand Festsitzen auf unerreichbarem Niveau zusätzlicher Rückpumplaser um Verlassen des Kühlzyklus leerzupumpen möglichst geringe Zahl an Energieniveaus (keine Moleküle) kü h Rb D2-Linien 0,38 0,16 S1/2 2 F=2 0,13 F=1 Frank Ziesel 8 Doppler Kühlen Maximaler Impulsübertrag F max = p ℏ k = t 2 geschwindigkeitsabhängige Kraft F =± I /Is 2 14±kv 2 ℏk natürliche Linienbreite I Laserintensität I S Sättigungsintensität Laserverstimmung Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 9 Übergangswahrscheinlichkeiten Na Wahl des Kühlübergangs Übergang mit hoher Streurate benutzen Energieniveauabstand groß genug Mit Laserlinienbreite realisierbar [9] Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 10 Doppler Limit Bei welchem Laserdetuning wird die Minimale Temperatur erreicht? Minimale Temperatur bei =− /2 Kühlrate Akühl= dE dt I /Is 2 14±kv 2 ℏ k v Heizrate dE Aheiz = dt kühl = 2 4 I / Is 1 d p2 ℏ k = = 2 2M dt 2M 12 / heiz Doppler Limit (Doppler Temperatur) ℏ T D= 2 kB Ulm, 05.11.2007 23 Na : T D =240 µK Frank Ziesel Linienbreite Laserverstimmung 11 Photon Rückstoß Limit Alle Laser Kühlmethoden basieren auf Licht­Atom­ Wechselwirkung Impulsübertrag durch Photonenemission ℏ2 k2 Tr= kB m Ulm, 05.11.2007 23 k Na : T r =2.4 µK = v Frank Ziesel ℏk m 12 Einfangbereich Effektiver Geschwindigkeitsbereich bei Dopplereffekt sehr klein verschiedene Möglichkeiten um den Bereich anzupassen anpassen der Laserfrequenz anpassen des Energieübergangs [4] Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 13 Zeeman Aufspaltung Linienaufspaltung 87 Rb E=a⋅B Übergänge auswählbar durch Polarisation des Laserlichts + m F =1 - m F =−1 [6] Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 14 Dopplerkühlen von Atomstrahlen und optische Melasse Doppler Kühlung : Kühlen im 2­Niveausystem Anwendungen Zeeman Slower Chirped Slower Optische Melasse Einleitung Energieübergänge Doppler­Limit Zeeman­Aufspaltung Laserkonfiguration Anwendung Kühlen in 3­Niveausystemen Raman Kühlen Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 15 Zeeman slower Anpassen der maximal möglichen Kraft an Geschwindigkeit der Teilchen Veränderung der Energieübergänge durch Zeemanaufspaltung Magnetfeldverlauf MPI-K Heidelberg – Selim Jochim Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 16 Zeeman slower kontinuierliches Kühlen eines Atomstrahls Laden von magneto­optischen Fallen (MOT) Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 17 Zeeman slower Effektives Abbremsen über großen Geschwindigkeitsbereich Halbwertsbreite Ulm, 05.11.2007 v=80 m/s v C=800 m/s Frank Ziesel 18 Chirped laser slower Anpassung des Einfangbereichs durch anpassung der Laserfrequenz Laserpulse mit Frequenzverlauf [4] Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 19 Chirped laser slower Simulationen der Geschwindigkeitsänderungen [5] Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 20 Dopplerkühlen von Atomstrahlen und optische Melasse Doppler Kühlung : Kühlen im 2­Niveausystem Anwendungen Zeeman Slower Chirped Slower Optische Melasse Einleitung Energieübergänge Doppler­Limit Zeeman­Aufspaltung Laserkonfiguration Anwendung Kühlen in 3­Niveausystemen Raman Kühlen Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 21 Optische Melasse paarweise rotverschobene Strahlen 1, 2 oder 3 dimensionaler Einschluss Kraft bei kleinem Geschwindigkeitsintervall F =−a⋅v Reibung Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 22 Optische Melasse Kollimator für Atomstrahlen Dämpfen der transversalen Geschwindigkeitskompone nte mit Hilfe einer Optischer Melasse Fokussieren des Atomstrahls mit einer optischen oder magnetischen Linse Erzeugung eines paralellen Atomstrahls mit zweiter Optischen Melasse Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 23 Optische Melasse Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 24 Dopplerkühlen von Atomstrahlen und optische Melasse Doppler Kühlung : Kühlen im 2­Niveausystem Anwendungen Zeeman Slower Chirped Slower Optische Melasse Einleitung Energieübergänge Doppler­Limit Zeeman­Aufspaltung Laserkonfiguration Anwendung Kühlen in 3­Niveausystemen Raman Kühlen Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 25 Motivation Dopplerlimit als fundamentale Grenze? T D= ℏ , natürliche Linienbreite des Dopplerübergangs 2 kB Erzeugen von schärferen Übergängen durch 3­Niveausysteme Ramankühlen Dunkelresonanzkühlen Narrow line cooling Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 26 Raman Kühlen Cs Erzeugen eines schmalen Übergangs durch Verwendung eines dritten Niveaus Charakterisierung des Übergangs durch Detuning Δ und δ Temperatur 30nK Realisierung mit MOT [5] Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 27 References [1] R. Frisch, Z. Phys. 86, 42­48 (1933) [2] T. E. Barrett et al., Phys. Rev. Lett. 67, 3483 (1991) [3] W. D. Phillips, Rev. Mod. Phys. 70, 721 (1998) [4] D. Suter, Vorlesung: Laserspektroskopie und Quantenoptik (2000) [5] R. Blatt, et al., Phys. Rev. A 34, 3022 (1986) [6] H. J. Metcalf, „Laser Cooling and Trapping“, Springer (1999) [7] V. Boyer et al., Phys. Rev. A 70, 043405 (2004) [8] D. Wineland and H. Dehmelt, Bull. Am. Phys. Soc. 20, 637 (1975) [9] Ungar et al. J. Opt. Soc. Am. B/Vol.6, No. 11 (1989) Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 28 Anhang [6] Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 29 Anhang [6] Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 30 Anhang [6] Ulm, 05.11.2007 Frank Ziesel 31
