Магнитная ловушка (атомы)

В экспериментальной физике магнитная ловушка — устройство, использующее градиент магнитного поля для улавливания нейтральных частиц с магнитными моментами . Хотя такие ловушки использовались для многих целей в физических исследованиях, они наиболее известны как последняя стадия охлаждения атомов для достижения конденсации Бозе-Эйнштейна . Магнитная ловушка (как способ улавливания очень холодных атомов) была впервые предложена Дэвидом Э. Притчардом .

Принцип работы

Многие атомы обладают магнитным моментом; их энергия смещается в магнитном поле по формуле

$\Delta E=-{\vec {\mu }}\cdot {\vec {B}}$.

Согласно принципам квантовой механики магнитный момент атома будет квантоваться ; то есть он примет одно из определенных дискретных значений. Если атом поместить в сильное магнитное поле, его магнитный момент будет совмещен с полем. Если несколько атомов поместить в одно и то же поле, они будут распределены по различным допустимым значениям магнитного квантового числа для этого атома.

Если градиент магнитного поля накладывается на однородное поле, те атомы, магнитные моменты которых совпадают с полем, будут иметь более низкую энергию в более сильном поле. Подобно мячу, катящемуся с холма, эти атомы будут стремиться занять места с более высокими полями и известны как атомы, ищущие сильное поле. И наоборот, атомы с магнитными моментами, ориентированными напротив поля, будут иметь более высокие энергии в более сильном поле, имеют тенденцию занимать места с более низкими полями и называются атомами, ищущими слабое поле.

В свободном пространстве невозможно создать локальный максимум величины магнитного поля; однако может быть получен локальный минимум. Этот минимум может захватить атомы, которые стремятся к слабому полю, если у них недостаточно кинетической энергии, чтобы выйти из минимума. Обычно магнитные ловушки имеют относительно неглубокие минимумы поля и способны улавливать только атомы, кинетическая энергия которых соответствует температуре в доли Кельвина . Минимумы поля, необходимые для магнитного захвата, можно создать различными способами. К ним относятся ловушки на постоянных магнитах, ловушки конфигурации Иоффе, ловушки QUIC и другие.

Атомная ловушка микрочипа

Микрочип атомной ловушки, разработанный в ILS в 2005 году.

Минимальную величину магнитного поля можно реализовать с помощью «атомного микрочипа». Справа показана одна из первых атомных ловушек на микрочипе. Z-образный проводник (на самом деле золотая Z-образная полоска, нарисованная на поверхности Si) помещен в однородное магнитное поле (источник поля на рисунке не показан). Были пойманы только атомы с положительной энергией спинового поля. Чтобы предотвратить смешивание спиновых состояний, внешнее магнитное поле было наклонено в плоскости чипа, обеспечивая адиабатическое вращение спина при движении атома. В первом приближении за эффективную энергию захваченного атома отвечает величина (а не ориентация) магнитного поля. Показанный чип имеет размеры 2 см х 2 см; этот размер был выбран из соображений простоты изготовления. В принципе, размеры таких микрочиповых ловушек можно существенно уменьшить. Множество таких ловушек можно изготовить обычными литографическими методами; такой массив считается прототипом q-битной ячейки памяти для квантового компьютера . Способы перемещения атомов и/или q-битов между ловушками находятся в стадии разработки; предполагается адиабатическое оптическое (с внерезонансными частотами) и/или электрическое управление (с дополнительными электродами).

Приложения в конденсации Бозе – Эйнштейна.

Конденсация Бозе-Эйнштейна (БЭК) требует условий очень низкой плотности и очень низкой температуры в газе атомов. Лазерное охлаждение в магнитооптической ловушке (МОЛ) обычно используется для охлаждения атомов до диапазона микрокельвинов. Однако лазерное охлаждение ограничено импульсом отдачи, который атом получает от одиночных фотонов. Достижение БЭК требует охлаждения атомов сверх пределов лазерного охлаждения, а это означает, что лазеры, используемые в МОЛ, должны быть отключены и разработан новый метод захвата. Магнитные ловушки использовались для удержания очень холодных атомов, а испарительное охлаждение снизило температуру атомов настолько, что они достигли БЭК.

Источники

• Причард, Дэвид Э. (1983). «Охлаждение нейтральных атомов в магнитной ловушке для прецизионной спектроскопии». Письма о физических отзывах . 51 (15): 1336–1339. Бибкод : 1983PhRvL..51.1336P . дои : 10.1103/PhysRevLett.51.1336 .
• Андерсон, Миннесота; Эншер, младший; Мэтьюз, MR; Виман, CE; Корнелл, Э.А. (1995). «Наблюдение бозе-эйнштейновской конденсации в разбавленном атомном паре» . Наука . 269 ​​(5221): 198–201. Бибкод : 1995Sci...269..198A . дои : 10.1126/science.269.5221.198 . ПМИД   17789847 .

Внешние ссылки

• Исследовательские группы, работающие с атомными ловушками