Zeeman más lento

Un Zeeman más lento

Un Zeeman más lento es un aparato científico que se usa comúnmente en óptica cuántica para enfriar un haz de átomos desde la temperatura ambiente o superior a unos pocos kelvin . A la entrada del Zeeman más lento, la velocidad media de los átomos es del orden de unos pocos cientos de m / s. La extensión de la velocidad también es del orden de unos pocos cientos de m / s. La velocidad final a la salida del más lento es de unos 10 m / s con una extensión aún menor.

Un Zeeman más lento consiste en un cilindro , a través del cual viaja el rayo, un láser de bomba que se ilumina en el rayo en la dirección opuesta al movimiento del rayo y un campo magnético (comúnmente producido por una bobina similar a un solenoide ) que apunta a lo largo del rayo. eje de simetría del cilindro y varía espacialmente a lo largo del eje del cilindro. El láser de bombeo, que debe ser casi resonante en una transición atómica o molecular, Doppler ralentiza una cierta clase de velocidad dentro de la distribución de velocidades del haz. El cambio Zeeman espacialmente variable de la frecuencia de resonancia permite que las clases de velocidad cada vez más baja resuenen con el láser, a medida que el rayo atómico o molecular se propaga a lo largo del más lento, lo que ralentiza el rayo.

Historia

Fue desarrollado por primera vez por William D. Phillips (quien recibió el Premio Nobel de Física por este descubrimiento en 1997 junto con Steven Chu y Claude Cohen-Tannoudji "por el desarrollo de métodos para enfriar y atrapar átomos con luz láser" ^[1] ). y Harold J. Metcalf. ^[2] El logro de estas bajas temperaturas abrió el camino para la realización experimental de la condensación de Bose-Einstein , y un Zeeman más lento puede ser parte de tal aparato.

Principio

De acuerdo con los principios del enfriamiento Doppler , un átomo modelado como un átomo de dos niveles se puede enfriar usando un láser. Si se mueve en una dirección específica y encuentra un rayo láser de contrapropagación que resuena con su transición, es muy probable que absorba un fotón. La absorción de este fotón le da al átomo un "empujón" en la dirección que es consistente con la conservación del momento y lleva al átomo a su estado excitado . Sin embargo, este estado es inestable y algún tiempo después el átomo decae de nuevo a su estado fundamental a través de una emisión espontánea (después de un tiempo del orden de nanosegundos, por ejemplo en Rubidium 87, el estado excitado de la transición D2 tiene una vida útil de 26,2 ns^[3] ). El fotón será reemitido (y el átomo volverá a aumentar su velocidad), pero su dirección será aleatoria. Al promediar una gran cantidad de estos procesos aplicados a un átomo, se ve que el proceso de absorción disminuye la velocidad siempre en la misma dirección (ya que el fotón absorbido proviene de una fuente monodireccional), mientras que el proceso de emisión no conduce a ningún cambio. en la velocidad del átomo porque la dirección de emisión es aleatoria. Por lo tanto, el rayo láser reduce la velocidad del átomo.

No obstante, existe un problema en este esquema básico debido al efecto Doppler . La resonancia del átomo es bastante estrecha (del orden de unos pocos megahercios ), y después de haber disminuido su impulso en algunos momentos de retroceso , ya no está en resonancia con el rayo de la bomba porque en su marco, la frecuencia del láser ha cambiado. El Zeeman más lento ^[4] usa el hecho de que un campo magnético puede cambiar la frecuencia de resonancia de un átomo usando el efecto Zeeman para abordar este problema.

La aceleración media (debido a muchos eventos de absorción de fotones en el tiempo) de un átomo con una masa, una transición de ciclismo con la frecuencia, y la anchura de línea , que se encuentra en la presencia de un haz de láser que tiene número de onda , y la intensidad (donde es la intensidad de saturación del láser) es${\displaystyle M}$${\displaystyle \omega =ck+\delta }$${\displaystyle \gamma }$${\displaystyle k}$${\displaystyle I=s_{0}I_{s}}$${\displaystyle I_{s}=\hbar c\gamma k^{3}/12\pi }$

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

En el marco de reposo de los átomos con velocidad, en el rayo atómico, la frecuencia del rayo láser se desplaza en . En presencia de un campo magnético , la transición atómica se desplaza Zeeman en una cantidad (donde está el momento magnético de la transición). Por lo tanto, la desafinación efectiva del láser de la frecuencia resonante de campo cero de los átomos es${\displaystyle v}$${\displaystyle k_{L}v}$${\displaystyle B}$${\displaystyle \mu 'B/\hbar }$${\displaystyle \mu '}$

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

Los átomos para los cuales experimentarán la mayor aceleración, a saber${\displaystyle \delta '=0}$

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

donde y .${\displaystyle \eta =s_{0}/(1+s_{0})}$${\displaystyle a_{max}={\frac {\hbar k\gamma }{2M}}}$

El enfoque más común es requerir que tengamos un perfil de campo magnético que varíe en la dirección de manera que los átomos experimenten una aceleración constante mientras vuelan a lo largo del eje del más lento. Sin embargo, recientemente se ha demostrado que un enfoque diferente produce mejores resultados. ^[5]${\displaystyle z}$${\displaystyle a=\eta a_{max}}$

En el enfoque de desaceleración constante obtenemos:

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

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

donde es la clase de velocidad máxima que se ralentizará; todos los átomos en la distribución de velocidades que tienen velocidades se ralentizarán, y los que tienen velocidades no se ralentizarán en absoluto. El parámetro (que determina la intensidad del láser requerida) normalmente se elige alrededor de 0,5. Si se operara con un Zeeman más lento , luego de absorber un fotón y pasar al estado excitado, el átomo reemitiría preferentemente un fotón en la dirección del rayo láser (debido a la emisión estimulada ) que contrarrestaría la desaceleración proceso.${\displaystyle v_{i}}$${\displaystyle v<v_{i}}$${\displaystyle v>v_{i}}$${\displaystyle \eta }$${\displaystyle \eta \approx 1}$

Realización

La forma requerida del campo magnético espacialmente no homogéneo como mostramos arriba tiene la forma

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

Este campo se puede realizar de diferentes formas. El diseño más popular requiere envolver un cable portador de corriente con muchos devanados en capas donde el campo es más fuerte (alrededor de 20-50 devanados) y pocos devanados donde el campo es débil. Los diseños alternativos incluyen: una bobina de una sola capa que varía en el paso del devanado. ^[6] una serie de imanes permanentes en varias configuraciones, ^{[7] [8] [9] [10]}

Átomos salientes

El Zeeman más lento se usa generalmente como paso preliminar para enfriar los átomos con el fin de atraparlos en una trampa magnetoóptica . Por lo tanto, apunta a una velocidad final de aproximadamente 10 m / s (dependiendo del átomo utilizado), comenzando con un haz de átomos con una velocidad de unos pocos cientos de metros por segundo. La velocidad final a alcanzar es un compromiso entre la dificultad técnica de tener un Zeeman largo más lento y la velocidad máxima permitida para una carga eficiente en la trampa.

Una limitación de la configuración puede ser el calentamiento transversal de la viga. ^[11] Está relacionado con las fluctuaciones de la velocidad a lo largo de los tres ejes alrededor de sus valores medios, ya que se decía que la velocidad final era un promedio en un gran número de procesos. Estas fluctuaciones están relacionadas con el movimiento browniano del átomo debido a la reemisión aleatoria del fotón absorbido. Pueden causar dificultades al cargar los átomos en la siguiente trampa.

Referencias

1. Nota de prensa del premio Nobel de física, 1997
2. Phillips, William D .; Metcalf, Harold (1 de marzo de 1982). "Desaceleración láser de un haz atómico" . Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 48 (9): 596–599. doi : 10.1103 / physrevlett.48.596 . ISSN  0031-9007 .
3. Datos de la línea Alkali D, DA Steck
4. Conferencia Nobel de Bill Phillips
5. B Ohayon., G Ron. (2013). "Nuevos enfoques en el diseño de un Zeeman Slower". Revista de instrumentación . 8 (2): P02016. arXiv : 1212.2109 . Código Bibliográfico : 2013JInst ... 8P2016O . doi : 10.1088 / 1748-0221 / 8/02 / P02016 .
6. Bell, SC; Junker, M .; Jasperse, M .; Turner, LD; Lin, Y.-J .; Spielman, IB; Scholten, RE (2010). "Una fuente de átomo lento que utiliza un horno efusivo colimado y una bobina de paso variable de una sola capa Zeeman más lento". Revisión de instrumentos científicos . Publicación AIP. 81 (1): 013105. doi : 10.1063 / 1.3276712 . ISSN 0034-6748 . 
7. Cheiney, P; Carraz, O; Bartoszek-Bober, D; Faure, S; Vermersch, F; Fabre, C. M; Gattobigio, G. L; Lahaye, T; Guéry-Odelin, D; Mathevet, R (2011). "Un diseño Zeeman más lento con imanes permanentes en una configuración Halbach". Revisión de instrumentos científicos . 82 (6): 063115–063115–7. arXiv : 1101.3243 . Código bibliográfico : 2011RScI ... 82f3115C . doi : 10.1063 / 1.3600897 . PMID 21721682 . 
8. Reinaudi, G .; Osborn, CB; Bega, K .; Zelevinsky, T. (20 de marzo de 2012). "Zeeman más lento dinámicamente configurable y optimizable mediante imanes permanentes y servomotores". Revista de la Sociedad Americana de Óptica B . 29 (4): 729. arXiv : 1110.5351 . doi : 10.1364 / josab.29.000729 . ISSN 0740-3224 . 
9. Lebedev, V; Weld, DM (28 de julio de 2014). "Zeeman autoensamblado más lento basado en imanes permanentes esféricos". Revista de Física B: Física Atómica, Molecular y Óptica . 47 (15): 155003. arXiv : 1407.5372 . doi : 10.1088 / 0953-4075 / 47/15/155003 . ISSN 0953-4075 . 
10. Krzyzewski, SP; Akin, TG; Dahal, Parshuram; Abraham, ERI (octubre de 2014). "Un Zeeman de clip más lento que utiliza imanes permanentes toroidales" . Revisión de instrumentos científicos . 85 (10): 103104. doi : 10.1063 / 1.4897151 . ISSN 0034-6748 . PMID 25362368 .  
11. K. Günter Diseño e implementación de un Zeeman más lento para Rb 87