Как охладить атомы с помощью света Лазерное охлаждение 1899 П.Н. Лебедев – световое давление 1933 Р. Фриш – отклонение пучка натрия резонансным светом лампы 1978 Д. Дж. Вайнленд охлаждение ионов магния – реализовали П.Н. Лебедев лазерное 1985 С.Чу – 3D охлаждение атомов натрия 1987 С. Чу, Е. Л. Рааб и Д.Е. Притчард –захват атомов в МОЛ Д. Дж. Вайнленд С.Чу 1 Мотивация: понимание сложных квантовых материалов • Высокотемпературная сверхпроводимость: - В некоторых материалах при 138 К - Нет хорошей модели • Магнитные материалы - Магнитные фазовые переходы - The frustrated magnets (магниты, которые не ведут себя как магниты при низких температурах) Пример: Пирохлор Richard Feynman Leon Balents, Nature 464, 2010 2 Основная идея – использование атомных ансамблей Оптическая решетка Christian Gross, and Immanuel Bloch Science 2017;357:995-1001 1 нм Поле в кристалле 0.5 мкм Примерное описание физики взаимодействия бозонов в пространственной решетке - Модель Бозе-Хаббарда: U † † ˆ H = −t ( bi b j + b j bi ) + 2 i, j Подвижность nˆ (nˆ − 1) − nˆ i i i i i Химпотенциал Локальное взаимодействие между частицами 3 = − 0 k , k *, 0 * u 0 4 Импульс фотона Время жизни 8 k F= = − 0 2 s (1 + s + 4 (2 − k ) (2 + k ) )(1 + s + 4 ) 2 2 2 2 8 k 2 ( ) 1 + s + 4 2 F = ( ) фотоны V 5 ато мы фотоны 2 фотоны V ато мы = 0 k 6 фотоны g B b z фотоны Затухающие колебания: ато мы фотоны V 0 = D m , = m 7 8 ~ 1000 C 9 20 − 40 см с 300 м 10 с 11 Доплеровский предел 2 ℏ𝑘 Энергия отдачи 𝑅= 𝑚 𝑑𝐸ℎ𝑒𝑎𝑡 𝑁е 𝑅 = 𝑑𝑡 𝑁 𝜏 𝛿 1 + 2𝑠 + 4 0 ℏГ Г kT= 𝛿 8 2 Г dEheat = Ecool dt k B 𝑇𝑚𝑖𝑛 ℏГ = 2 Г = 10 МГц, Тmin = 240 мкК 12 2 Конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК) Temperature h h = = p 3 mTm k B T Длина волны де Бройля 1 св = 2 n h PSD = N kB T _ Длина свободного пробега 3 , PSD Фазовая плотность 2.6 10−7 К Г = 10 МГц, Тmin = 240 мкК 13 Схема детектирования закон Бугера-Ламберта-Бера 14 Температура атомов Потенциал: U(x, y, z) = Dx x 2 + Dy y 2 + Dz z 2 2 Распределение по Больцману U ( x, y , z ) Dz z 2 nz ( z ) exp − dx dy exp − k T 2 k T 2 B B R Видно, что облако будет иметь гауссову форму. При разлете профиль будет выглядеть как: 2 g t 2 y − y0 − 2 2 ( x − x0 ) n ( x, y, z , t ) = A exp − exp − 4 k BT 2 2 wx 2 + 4k BT t 2 w + t y m m 2 ( z − z0) exp − wz 2 + 4k BT t 2 m 15 Оптическая дипольная ловушка E p = qL 2 Power r2 I ( r, z ) = exp[−2 2 ] 2 ( z ) ( z) z2 ( z ) = 0 1 + 2 zR 16 Испарительное охлаждение 17 Испарение 18 Симулятор Sherson J.F. et al. Single-atom-resolved fluorescence imaging of an atomic Mott insulator // Nature. Nature Publishing Group, 2010. Vol. 467, № 7311. P. 68–72. 18 Спасибо за внимание!
