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 3Κ u= 400km/h Σε κενό χώρο κρατάμε αρκετά χαμηλή τη πυκνότητα → 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

Time-Of Flight method (Phillips 1988) 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 Νάτριο – 2,4μΚ Κάσιο – 0,2μΚ Ήλιο – 4μΚ 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-Einstein στα 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 καισίου με 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)