Οπτική Παγίδευση με δέσμη Laser & Εφαρμογές

Οπτική Παγίδευση με δέσμη Laser & Εφαρμογές Μαρίνου Ελένη Υπεύθυνη Καθηγήτρια : Μ. Μακροπούλου

Βραβείο Nobel στη Φυσική 1997 «για την ανάπτυξη των μεθόδων για ψύξη και παγίδευση ατόμων με φως λέιζερ» Steven Chu 1/3 από το βραβείο USA Stanford University Stanford, CA, USA Claude Cohen-Tannoudji 1/3 από το βραβείο Γαλλία Collège de France; École Normale Supérieure Paris, France William D. Phillips 1/3 από το βραβείο USA National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD, USA

Τα μόρια του αέρα • 25˚C u =4.000km/h T⇩⇩u Αλλά ότανu⇩τότε: αέρια→ υγρά →στερεά Σε κενό χώρο κρατάμε αρκετά χαμηλή τηπυκνότητα →αποφεύγεται η συμπύκνωση • 3Κ u=400km/h • 1μΚ u< 1km/h=25cm/s Absolute Zero all motions stops

Οι Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji και William D.Phillips ανέπτυξαν μεθόδους όπου: • Χρησιμοποιούν φως Laser για να ψύξουν τα αέρια στο εύρος θερμοκρασίας μΚ. • Κρατάνε τα άτομα που κινούνται ή έχουν εγκλωβιστεί σε διαφορετικά είδη «ατομικών παγίδων».

Έρευνα • Μελέτη θεμελιωδών φαινομένων • Αύξηση της γνώσης για την αλληλεπίδραση ακτινοβολίας - ύλης • Μέτρηση σημαντικών φυσικών ποσοτήτων • Ακρίβεια άνευ προηγουμένου

Έρευνα Μελέτη μεμονωμένων ατόμων, καθορισμός εσωτερικής τους δομής Ιδιότητες & μορφές ενός λεπτού αερίου Βαθύτερη κατανόηση της κβαντομηχανικής συμπεριφοράς αερίων στις χαμηλές θερμοκρασίες

Επιβράδυνση Ατόμων

Επιβράδυνση Ατόμων (με φωτόνια) • Χρήση φαινομένου Doppler • Απορροφάται εισερχόμενο (κβαντισμένο) φως • Εκπέμπεται νέο κβαντισμένο φως (διαφορετική διεύθυνση από το εισερχόμενο φωτόνιο) • Τα άτομα επιβραδύνονται (Ανακαλύφθηκε από τον Otto R Friseh το 1933)

ΜΟΤ - Μαγνητο-οπτική παγίδα(Magneto-optical Trap) • 3 Ζεύγη ακτίνων Laser αντίθετης διάδοσης, σε 3 κατευθύνσεις κάθετες μεταξύ τους • Ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο (2 μαγνητικές σπείρες) Ανεξάρτητα από την κατεύθυνση,τα άτομα ωθούνται πίσω στην περιοχή όπου οι 6 ακτίνες Laser διασταυρώνονται Ψύξη Doppler

Μια συλλογή ατόμων Νατρίου (κίτρινη τελεία στο κέντρο της εικόνας) παγιδευμένη σε ΜΟΤ

Optical Molasses(Οπτικές Μελάσσες) • Στη διασταύρωση των ακτίνων Laser τα άτομα κινούνται όπως σε παχύ υγρό • Διαμορφώνεται ένα ακτινοβόλο νέφος μεγέθους ενός μπιζελιού, αποτελούμενο από 106 κατεψυγμένα άτομα

Όριο Doppler Time-Of Flight method (Phillips 1988) Οι 6 ακτίνες Laser→σβησμένες Το ατομικό νέφος πέφτει υπό την επιρρεια της βαρύτητας Ταυτόχρονα επεκτείνεται με τρόπο που καθορίζεται από τη θερμοκρασία του Η καμπύλη πτώσης καθορίζεται με Laser μέτρησης (καταγραφή φθορισμού) • Μέτρηση προσωρινής διάδοσης → καθορισμός Τ νέφους

Time-Of Flight method (Phillips 1988) • Τ=40μΚ 6 φορές χαμηλότερη από το θεωρητικό όριο Doppler (απλοποιημένο μοντέλο) • Εξήγηση αποτελέσματος Phillips στη δομή των χαμηλότερων ενεργειακών πεδίων του Να

Sisyphus Cooling (Cohen-Tannoudji) Άτομα κινούνται σε κοίλα διαμορφωμένη δυναμική ενέργεια(εμφανίζεται μέσω των αλλαγών στα ενεργειακά τους επίπεδα όταν αλληλεπιδρούν με το φώς) Χάνουν ταχύτητα ανεβαίνοντας Φτάνοντας στην κορυφή → αντλούνται οπτικά στον πάτο Η ταχύτητα μειώνεται βαθμιαία

Όριο οπισθοχώρησης Η θερμοκρασία που αντιστοιχεί στην ταχύτητα οπισθοχώρησης που κερδίζει ένα άτομο όταν εκπέμπει ένα φωτόνιο Νάτριο – 2,4μΚ Κάσιο – 0,2μΚ Ήλιο – 4μΚ Οι μέθοδοι ψύξης περιορίζονται από τις οπισθοχωρήσεις από τα σκεδαζώμενα φωτόνια «σκοτεινή κατάσταση»: πολύ αργά άτομα παραμελούν τα φωτόνια (Χρήση φαινομένου Doppler)

Ξεπερνώντας το όριο οπισθοχώρησης • Chu – ψύξη Raman • Tannoudji – μέθοδος VSCPT(Velocity-Selective Coherent Population Trapping) Σε 1,2 & 3 Διαστάσεις (Ηe) 1D : ταχύτητα αντίστοιχη 2μΚ 2D: ταχύτητα αντίστοιχη 0,25μΚ 3D: ταχύτητα αντίστοιχη 0,18μΚ → u≃ 2cm/s !!

Πρακτικές Χρήσεις • Κατασκευή πολύ ακριβέστερων ατομικών ρολογιών → ακριβέστερος προσδιορισμός θέσης στη γη μέσω δορυφόρων • Bose-Einstein condensation of gases (συμπύκνωση Bose-Einstein) → Κατασκευή ¨ατομικών Laser¨ → κατασκευή πολύ μικρών ηλεκτρονικών συστημάτων • Συμβολή & λιθογραφία ατόμων • Οπτικά δικτυώματα πλέγματα • Οπτικές λαβίδες • Υψηλής ευκρίνειας φασματοσκόπια

BEC (Bose-Einstein condensation) • “super atom” • T < 10^-6K • Laser cooling • Evaporative cooling

Συμπύκνωση Bose-Einsteinστα 400,200 και 50 nanoKelvin http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/images/evap2.gif

Πως φαίνετε το πλάσμα • Μικροσκόπιο • Σβήνει η παγίδα • Φωτίζετε με συγκεκριμένο χρώμα που αντανακλά το άτομο (rubidium → βαθύ κόκκινο χρώμα) • Snapshot picture

Χρήσεις BEC Προβλήματα • Τρομερά εύθραυστο • Πολύ μικρές ποσότητες (μερικά εκατομμύρια κάθε φορά) • Βγαίνει από λίγα διαφορετικά είδη ατόμων Χρήσεις • Τα άτομα στο πλάσμα είναι ακριβώς τα ίδια → πολύ καλύτερο έλεγχο στα άτομα • Μετρήσεις οργάνων μεγάλης ακρίβειας • Παρασκευή μικροσκοπικών κατασκευών (chip υπολογιστών)

Σύγχρονη ατομική πηγή • Αντιστάθμιση με αντίθετους τρόπους των συχνοτήτων ενός ζεύγους ακτινών Laiser • Τα άτομα βλέπουν το πλάσμα σε ένα πλαίσιο κινούμενο κατά μήκος εκείνης της κατεύθυνσης & φέρονται μαζί του • Τα άτομα προωθούνται σε οποιαδήποτε επιθυμητή κατεύθυνση

Ατομικά ρολόγια • Τα ακριβέστερα όργανα που η σύγχρονη τεχνολογία μπορεί να παρέχει • Το παγκοσμίως, σταθερότερο & ακριβέστερο ατομικό ρολόι → ατομική πηγή καισίουμε σταθερότητα 2x10^-13(χρόνος σε sec) (Laboratoire Primair du Temps et des Friqyences στο Παρίσι)

Κυκλικά πολωμένη ακτίνα Laser μεγάλης διαμέτρου • Κοίλος κωνικός καθρέφτης • Μικρή τρύπα → κρύα συνεχή ατομική ακτίνα • Το αεροδιαστημικό σχέδιο ενός ατομικού ρολογιού που χρησιμοποιεί ψυχρά άτομα Κασίου. Μια συνεχής κρύα ατομική ακτίνα αποσπάται από μια μαγνητο-οπτική παγίδα μέσα από μία τρύπα σε ένα κοίλο κωνικό καθρέφτη . Η κρύα δέσμη εστιάζεται οπτικά ,και εκτρέπετε πριν διαπεράσει μια κοιλότητα Ramsey

Παγίδευση ατόμων με πίεση συντονισμένης ακτινοβολίας

Λαβίδες Laser (Laser tweezers) • Μονοακτινικές παγίδες • χειρισμός σειρών αντικειμένων από διηλεκτρικές σφαίρες μέχρι σπερματικά κύτταρα DNA • Έρευνα • Κυτταρική βιολογία

Βιβλιογραφία : • http://nobelprize.org/physics/laureates/1997/index.html • http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/ • http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2001/illpres/ • http://en.wikipedia.org/wiki/Bose-Einstein_condensate • http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_clock • http://tf.nist.gov/cesium/fountain.htm • http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/images/evap2.gif • Paul Lloyd Larsen.Laser Tweezers (1999) • A. Ashkin. Physical Review Letters, Trapping of Atoms by Resonance Radiation Pressure, Vol40,Num12 (1978)

Οπτική Παγίδευση με δέσμη Laser & Εφαρμογές