Зееман медленнее

Зеемановский медленнее, прежде чем его включили в более крупный эксперимент с холодным атомом.

В атомной физике медленный механизм — это научный прибор , который обычно используется в атомной физике для замедления и охлаждения пучка зеемановский горячих атомов до скорости нескольких метров в секунду и температуры ниже кельвина . Атомы газовой фазы, используемые в атомной физике, часто генерируются в печи путем нагрева твердого или жидкого атомного образца до температур, при которых давление пара достаточно велико, чтобы значительное количество атомов находились в газовой фазе. Эти атомы вылетают из отверстия в печи со средней скоростью порядка сотен м/с и большим распределением скоростей (из-за их высокой температуры). Замедлитель Зеемана прикрепляется рядом с местом выхода горячих атомов из печи и используется для их замедления до скорости менее 10 м/с (замедление) с очень небольшим разбросом скоростей (охлаждение).

Зеемановский медленный механизм состоит из цилиндра , через который проходит атомный луч, лазера накачки , который распространяется навстречу направлению луча, и магнитного поля (обычно создаваемого катушкой, похожей на соленоид ), которое направлено вдоль оси цилиндра с пространственным направлением. различной величины. Лазер накачки, который должен быть почти резонансным с атомным переходом , доплеровски замедляет определенный класс скоростей в пределах распределения скоростей луча. Пространственно изменяющееся магнитное поле предназначено для зеемановского смещения резонансной частоты в соответствии с уменьшающимся доплеровским сдвигом, поскольку атомы замедляются до более низких скоростей, в то время как они распространяются через зеемановское устройство медленнее, позволяя лазеру накачки постоянно находиться в резонансе и обеспечивать замедляющую силу.

История

Зеемановский медленный механизм был впервые разработан Гарольдом Дж. Меткалфом и Уильямом Д. Филлипсом (который получил 1/3 Нобелевской премии по физике 1997 года частично за свою работу над зеемановским медленным механизмом). ). Достижение этих низких температур проложило путь к экспериментальной реализации бозе-эйнштейновской конденсации , и частью такого аппарата может быть зеемановский медленнитель.

Принцип

Согласно принципам доплеровского охлаждения , атом, смоделированный как двухуровневый атом, можно охладить с помощью лазера. Если он движется в определенном направлении и встречает встречный лазерный луч, резонансный с его переходом, он, скорее всего, поглотит фотон. Поглощение этого фотона дает атому «толчок» в направлении, соответствующем сохранению импульса , и переводит атом в возбужденное состояние . Однако это состояние неустойчиво, и через некоторое время атом распадается обратно в основное состояние посредством спонтанного излучения (через время порядка наносекунд, например, в Рубидии 87 возбужденное состояние перехода D2 имеет время жизни 26,2 нс). ). Фотон переиспустится (и атом снова увеличит свою скорость), но его направление будет случайным. При усреднении по большому числу этих процессов, приложенных к одному атому, видно, что процесс поглощения уменьшает скорость всегда в одном и том же направлении (поскольку поглощаемый фотон исходит от однонаправленного источника), тогда как процесс испускания не приводит к какому-либо изменению в скорости атома, поскольку направление излучения случайно. Таким образом, атом эффективно замедляется лазерным лучом.

Тем не менее, в этой базовой схеме есть проблема из-за эффекта Доплера . Резонанс атома довольно узок (порядка нескольких мегагерц ), и после уменьшения его импульса на несколько импульсов отдачи он больше не находится в резонансе с лучом накачки, поскольку в его структуре частота лазера сместился. Зееман медленнее использует тот факт, что магнитное поле может изменить резонансную частоту атома, используя эффект Зеемана, для решения этой проблемы.

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

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

В системе покоя атомов со скоростью $v$, в атомном пучке частота лазерного луча сдвинута на $k_{L}v$. При наличии магнитного поля $B$атомный переход имеет зеемановский сдвиг на величину $\mu 'B/\hbar$ (где $\mu '$ – магнитный момент перехода). Таким образом, эффективная отстройка лазера от резонансной частоты атомов в нулевом поле равна

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

Атомы, для которых $\delta '=0$ испытает наибольшее ускорение, а именно

$a=\eta a_{\text{max}}$

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

Наиболее распространенный подход состоит в том, чтобы потребовать, чтобы у нас был профиль магнитного поля, который меняется в зависимости от $z$ направлении так, что атомы испытывают постоянное ускорение $a=\eta a_{\text{max}}$ так как они летят вдоль оси медленнее. Однако недавно было показано, что другой подход дает лучшие результаты.

В подходе с постоянным замедлением мы получаем:

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

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

где $v_{i}$ — максимальный класс скорости, который будет замедляться; все атомы в распределении скоростей, имеющие скорости $v<v_{i}$ будут замедлены, а те, у кого скорости $v>v_{i}$ вообще не замедлится. Параметр $\eta$ (который определяет необходимую интенсивность лазера) обычно выбирается равным примерно 0,5. Если бы зеемановский медленный двигатель работал с $\eta \approx 1$, то после поглощения фотона и перехода в возбужденное состояние атом предпочтительно повторно испустит фотон в направлении лазерного луча (из-за вынужденного излучения ), что будет противодействовать процессу замедления.

Реализация

Искомая форма пространственно-неоднородного магнитного поля, как мы показали выше, имеет вид

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

Это поле можно реализовать несколькими разными способами. Самая популярная конструкция требует наматывания токопроводящего провода множеством многослойных обмоток там, где поле наиболее сильное (около 20-50 витков), и несколькими витками там, где поле слабое. Альтернативные конструкции включают: однослойную катушку с изменяющимся шагом обмотки, массив постоянных магнитов различной конфигурации.

Исходящие атомы

Зеемановский медленнитель обычно используется в качестве предварительного шага для охлаждения атомов с целью их захвата в магнитооптическую ловушку . Таким образом, он стремится достичь конечной скорости около 10 м/с (в зависимости от используемого атома), начиная с пучка атомов со скоростью несколько сотен метров в секунду. Конечная скорость, которую необходимо достичь, представляет собой компромисс между технической сложностью использования длинного зеемановского замедления и максимальной скоростью, позволяющей эффективно загрузить ловушку.

Ограничением установки может быть поперечный нагрев балки. Это связано с колебаниями скорости по трем осям вокруг ее средних значений, поскольку конечная скорость считалась средней по большому числу процессов. Эти колебания связаны с тем, что атом имеет броуновское движение вследствие случайного переизлучения поглощенного фотона. Они могут вызвать трудности при загрузке атомов в следующую ловушку.