View
52
Download
0
Category
Preview:
DESCRIPTION
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. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
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
William D. Phillips
1/3 από το βραβείο
USA
National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD, USA
Claude Cohen-Tannoudji
1/3 από το βραβείο
Γαλλία
Collège de France; École Normale Supérieure Paris, France
Τα μόρια του αέρα 25˚C u = 4.000km/h
T⇩ ⇩u
Αλλά όταν u⇩τότε: αέρια→ υγρά →στερεάΣε 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
Όριο Doppler
Οι 6 ακτίνες Laser →σβησμένεςΤο ατομικό νέφος πέφτει υπό
την επιρρεια της βαρύτηταςΤαυτόχρονα 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
Time-Of Flight method (Phillips 1988)
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 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-Einsteinστα 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 BECΠροβλήματα 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)
Recommended