Зееман медленнее - 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 ${\displaystyle v<v_{i}}$ 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 ${\displaystyle \eta \approx 1}$, 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

1. Пресс-релиз Нобелевской премии по физике, 1997 г.
2. Филлипс, Уильям Д .; Меткалф, Гарольд (1982-03-01). «Лазерное торможение атомного луча». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 48 (9): 596–599. Дои:10.1103 / Physrevlett.48.596. ISSN  0031-9007.
3. Щелочная линия D Данные, Д. А. Штек
4. Нобелевская лекция Билла Филлипса
5. B Ohayon., G Ron. (2013). «Новые подходы в разработке Zeeman Slower». Журнал приборостроения. 8 (2): P02016. arXiv:1212.2109. Bibcode:2013JInst ... 8P2016O. Дои:10.1088 / 1748-0221 / 8/02 / P02016.
6. Bell, S.C .; Юнкер, М .; Jasperse, M .; Тернер, Л. Д .; Lin, Y.-J .; Spielman, I.B .; Шолтен, Р. Э. (2010). «Источник медленных атомов, использующий коллимированную эффузивную печь и однослойную катушку с переменным шагом медленнее Зеемана». Обзор научных инструментов. Издательство AIP. 81 (1): 013105. Дои:10.1063/1.3276712. ISSN  0034-6748.
7. Cheiney, P; Карраз, О; Бартошек-Бобер, Д; Фор, S; Vermersch, F; Fabre, C.M; Gattobigio, G.L; Лахайе, Т; Guéry-Odelin, D; Матевет, Р (2011). «Более медленная конструкция Зеемана с постоянными магнитами в конфигурации Хальбаха». Обзор научных инструментов. 82 (6): 063115–063115–7. arXiv:1101.3243. Bibcode:2011RScI ... 82f3115C. Дои:10.1063/1.3600897. PMID  21721682.
8. Reinaudi, G .; Osborn, C.B .; Бега, К .; Зелевинский, Т. (2012-03-20). «Динамически конфигурируемый и оптимизируемый зеемановский медленнее с использованием постоянных магнитов и серводвигателей». Журнал Оптического общества Америки B. 29 (4): 729. arXiv:1110.5351. Дои:10.1364 / josab.29.000729. ISSN  0740-3224.
9. Лебедев, В; Сварщик, Д М (28.07.2014). «Самостоятельная сборка зеемановского замедлителя на сферических постоянных магнитах». Журнал физики B: атомная, молекулярная и оптическая физика. 47 (15): 155003. arXiv:1407.5372. Дои:10.1088/0953-4075/47/15/155003. ISSN  0953-4075.
10. Krzyzewski, S.P .; Akin, T. G .; Дахал, Паршурам; Абрахам, Э. Р. И. (октябрь 2014 г.). «Клипса Зеемана медленнее с тороидальными постоянными магнитами». Обзор научных инструментов. 85 (10): 103104. Дои:10.1063/1.4897151. ISSN  0034-6748. PMID  25362368.
11. К. Гюнтер Разработка и реализация зеемановского медленника за 87 руб.