21460

Применение лазерного излучения для управления движением атомами и ионами

Лекция

Физика

Этот эффект называется охлаждением атомов давлением лазерного излучения. Методы позволяющие с помощью лазерного излучения охлаждать атомы основаны на эффекте вязкой жидкости оптическая патока в которой атомы медленно перемещаются. При охлаждении вещества его энергия и энтропия понижаются поэтому процесс охлаждения возможен если энергия и энтропия излучения после взаимодействия с веществом повышаются.

Русский

2013-08-02

789.5 KB

32 чел.

Лекция № 11 Применение лазерного излучения для управления движением атомами и ионами

Цель лекции - изучить физические и технические условия резонансного взаимодействия оптического излучения с атомами посредством механического воздействия излучения на атомы. Этот эффект называется  охлаждением атомов давлением лазерного излучения. Основная практическая задача, для решения которой необходимо уметь управлять положением атомов или ионов – создание квантового компьютера. Существует несколько направлений в создании квантового компьютера. Одним из них является создание пространственной периодической структуры, в которую «вкладываются» отдельные атомы или ионы.

В 1997 году, Стивен Чу, Клод Коэн-Таннуджи, Уильям Филипс, получили Нобелевскую премию за развитие методов охлаждения и пленения атомов с помощью лазерного света. При комнатной температуре атомы и молекулы, двигаются в различных направлениях со скоростью около 4000 км/час. Осуществлять информационное взаимодействие с такими быстролетящими атомами практически невозможно, поскольку они быстро исчезают из области наблюдения. При понижении температуры скорость движения уменьшается, что обычно приводит к конденсации в жидкость, а затем вымораживается в твердое состояние. Поэтому работать с одиночными атомами очень сложно в связи с тем, что они находятся очень близко друг к другу и поэтому сильно взаимодействуют. Однако в вакууме при низкой плотности можно избежать конденсации и вымораживания. При -270 °С скорости порядка 400 км/час. Только при приближении к абсолютному нулю -273 °С скорости значительно уменьшаются. Если температура составляет величину порядка одного мкК, то скорость атомов водорода составляет 25 см/с. Методы, позволяющие с помощью лазерного излучения охлаждать атомы, основаны на  эффекте вязкой жидкости, оптическая патока, в которой атомы медленно перемещаются. Применение охлажденных атомов – стандарты частоты, атомные интерферометры для измерения гравитационных волн, атомные лазеры и квантовые компьютеры.

Фотон, сталкивающийся с атомом, может передать ему свой импульс (масса на скорость). Однако, чтобы произошло такое событие необходимо, чтобы у фотона была определенная энергия, т.е. «правильную» частоту или цвет. Требуемая энергия определяется внутренней структурой уровней атома. Если атом движется, то необходимо учесть эффект Доплера. На встречном движении атома и фотона частота последнего должна быть более низкая, чем в случае неподвижного атома. При поглощении фотона атом несколько замедляется, через очень короткое время (около 10-8 с) атом спонтанно излучает. При излучении импульс отдачи также обеспечивает замедление атома.

Эффект замедления реализуется с помощью шести лазерных пучков, разбитых на пары встречных пучков и расположенных в трех направлениях. Свет всех пучков отстроен в красную область. В области пересечения лазерных пучков атомы двигаются как в вязкой жидкости. В этой области видно невооруженным глазом ярко светящееся облако, содержащее около миллиона холодных атомов. Это доплеровское охлаждение. 

Основные теоретические предпосылки

откуда

Для нас интересен случай обратного процесса, когда лазерное излучение позволяет охлаждать вещество. С точки зрения термодинамики такой процесс не запрещен, если обеспечено сохранение энергии и повышение энтропии в замкнутой системе «вещество+излучение». При охлаждении вещества его энергия и энтропия понижаются, поэтому процесс охлаждения возможен, если энергия и энтропия излучения после взаимодействия с веществом повышаются. Энергия и энтропия излучения определяются соотношения

Здесь  -число фотонов излучения, G- число степеней свободы излучения, определяемое соотношением Рэлея – Джинса:

где  и  - объем и телесный угол, заполненные излучением,  - спектральный интервал излучения.

Следуя условию, что энергия охлаждаемого вещества уменьшается, а энергия излучения возрастает, частота излучения должна возрастать. Т.е. при рассеянии излучения на веществе частота приобретает антистоксовый сдвиг . Только при этом условии возможно охлаждение вещества электромагнитным излучением. В отношении энтропии следует принять такие рассуждения. Энтропия лазерного излучения практически равна нулю. Монохроматическое излучение очень малая расходимость в пространстве излучения являются условиями, обеспечивающими минимальное значение энтропии. В тоже время Рассеянное лазерное излучение обладает существенной энтропией благодаря конечной величине спектрального интервала и рассеянием в телесном угле .

Первоначально рассмотрим качественно элементарные процессы, на которых основано охлаждение локализованных атомов и ионов лазерным излучением. 1. Рис.1 объясняет идею лазерного охлаждения двухуровневых атомных ионов, совершающих осцилляторное движение в электромагнитной ловушке.

Эта задача была поставлена и решена первой, поскольку ионы можно поймать в ловушку и дальше работать с ними.

С квантовомеханической точки зрения осцилляторному движению ионов с частотой  соответствует распределение ионов по колебательным энергетическим уровням

При рассеянии «низкочастотного» лазерного излучения, с частотой  резонансной электронному переходу |1> → |2> с частотой  и естественной шириной линии  <<, ион сначала совершает переход |1,v>→|2,v-1>, а затем спонтанно возвращается в нижнее состояние, благодаря переходу |2,v-1>→ |1,v-1>. В результате часть кинетической энергии иона () передается резонансно рассеянному лазерному излучению. Переизлучение фотонов из направленного лазерного пучка в телесный угол 4 и увеличение ширины спектра рассеянного излучения до величины естественной ширины линии  резонансного перехода обеспечивают повышение энтропии рассеянного излучения. Такой процесс позволяет охлаждать локализованные атомные ионы до крайне низких энергий. При  >>, когда могут использоваться приведенные рассуждения, предельная энергия холодных ионов близка к энергии нулевых колебаний . Соответствующая температура холодных ионов при типичных частотах колебаний  10 МГц составляет величину  За счет осцилляторного движения иона с частотой  у любой его оптической спектральной линии возникают боковые компоненты, имеющие ту же природу, что и в спектре частотно-модулированного колебания.

Лазерное излучение возбуждает электронное состояние на частотах низкочастотных компонент спектральной линии, а спонтанно переизлученные фотоны имеют симметричный относительно частоты  спектр. Соответственно, возрастание частоты рассеянного излучения означает, что лазерное излучение охлаждает ионы.

Идея лазерного охлаждения ионов была впервые реализована в экспериментах по охлаждению ионов магния и бария до температур 10-2 К. 

Тем не менее, рассеяние оказалось не единственным механизмом, приводящим к охлаждению.

Если первые работы по охлаждению были связаны с механизмом рассеяния лазерного излучения на ионах, для которых существовали глубокие ловушки. Эти ловушки легко захватывают ионы с температурами, значительно превышающими комнатную температуру. Поэтому задача колеблющихся ионов и была рассмотрена выше.

В случае свободно движущихся атомов спектр поглощения уширен неоднородно эффектом Доплера. На рис.2 показана схема охлаждения атомов лазерным излучением. Излучение изотропно облучает низкочастотную половину доплеровского контура поглощения на частоте . Излучение с волновым вектором  и частотой  могут поглощать только атомы, движущиеся навстречу поглощаемому фотону:

.

При каждом акте поглощения направленного фотона и его в среднем изотропном переизлучении кинетическая энергия атома в среднем уменьшается на величину

.

При поглощении встречного фотона скорость атома уменьшается на величину  скорости отдачи. Охлаждение свободных атомов в поле резонансного излучения всегда является охлаждением резонансным световым давлением.

Особенность! Для захвата нейтральных атомов необходимо сначала их охладить, после чего включить механизм захвата. Атомы, охлажденные лазером, позволяют изучать столкновения и коллективные квантовые явления в ранее недоступных режимах. Волновая или квантовая природа частицы с импульсом  становится явной только тогда, когда длина волны де Бройля, определяемая соотношением становится больше или порядка характерного масштаба, например области удержания. К новым явлениям, наблюдавшимся для нейтральных атомов относится бозе –эйнштейновская конденсация в атомном газе. Квантовые скачки, шредингеровский кот и квантовые логические затворы.

Рассматривая лазерное охлаждение атомов следует учесть,  что атомы в зависимости от скорости про разному взаимодействуют с излучением. Летохов с коллегами предложили метод чирпирования частоты излучения которое обеспечивает вовлечение во взаимодействие все атомы широкого распределения.

Чирпированное охлаждение является сейчас одним из двух стандартных методов замедления пучков. Второй метод «зеемановское охлаждение». С помощью магнитного поля изменяется расстояние между энергетическими уровнями атомов и тем самым удерживаются в резонансе с фиксированной частотой излучения. Это и есть зеемановское охлаждение.

Магнитостатическое пленение.

Условия технической реализации

Лазерное охлаждение атомов, находящихся в газовом состоянии, требует мощного излучения с длиной волны, резонансной атомному переходу, и шириной линии излучения, близкой к естественной ширине линии перехода для высокоселективного возбуждения атомов, движущихся строго навстречу лазерному лучу. Такое излучение способны обеспечить непрерывные одночастотные лазеры, длина волны излучения которых может перестраиваться в широком спектральном диапазоне. Наиболее широкую спектральную область перекрывают титан-сапфировые лазеры и лазеры на красителях, активно и эффективно используемые для задач лазерного охлаждения и пленения атомов и молекул. Удвоение частоты излучения этих лазеров с помощью современной техники внешних резонансных удвоителей позволяет расширить спектральный диапазон излучения этих лазеров в зеленую, синюю и УФ области спектра.

[3] Machekhin Yu.P., Raschektayeva A.I. Мetrology maintenance optic time-domain reflectometers //Proc. LFNM`2001 3nd International Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling. 2001. РР. 202-205.

[4] Данелян А.Г., Мачехин Ю.П., Расчектаєва А.И., Исследование устойчивой работы генератора оптического меандра // Прикладная электроника. 2007. Том 6. № 4. С. 578–582.

 


 

Рис. 1. Комплекс аппаратуры эталона для воспроизведения единицы времени распространения излучения в световоде

Таблица 1.

 

Расширенная неопределенность

(с)

Диапазон воспроизводимых значений времени распространения оптического сигнала Т (с)

Диапазон воспроизводимых значений длины

L (м)

Национальный специальный эталон (Российская федерация) [4-6]

от 8×10-10 до 4,8×10-9

от 1×10-7 до 5×10-3

от 1×101 до 5×105

Государственный эталон ДЕТУ 11-03-09 (Украина)

от 2,5×10-11  до 3×10-9

от 1,5×10-8 до 1,5×10-3

от 3 до 3×105


ЛИТЕРАТУРА

  1.  Quinn T.J.  //  "Practical Realization of the Definition of the Metre".// "Metrologia". - 1999. - V. 36, No 3 (June 1999), pp. 211-244.
  2.  "Besoins nationaux et internationaux dans le domaine de la metrologie: les collaborations internationales et le rôle du BIPM"; English version: "National and international needs relating to metrology: International collaborations and the role of the BIPM". A report prepared by the CIPM for the governments of the Member States of the Convention of the Metre. 1998. Intergovernmental Organization of the Metre. Édité par le BIPM, Pavillon de Breteuil, F-92312, Sèvres Cedex, France.pp. 71-132.
  3.  Аззам Р., Башара Н. // "Эллипсометрия и поляризованный свет". //– Изд. "Мир", М.,1981.
  4.  Шерклифф У. // "Поляризованный свет". – Изд. "Мир", М., 1965.
  5.  Данелян А.Г., Датиашвили Г.В., Мачехин Ю.П. Давитулиани А.А., Данелян В.А. // "О некоторых возможностях формирования или генерирования калиброванных по длительности импульсов света". // Научные труды 3-ей международн. Научн.-технич. конф. «Метрология в электронике», г. Харьков, 11-12 окт. 2000г., с. 107-109.
  6.  Danelyan A., Garibashvili D.,  Machekhin Yu., Mkrtichyan S., Paroshin Yu., Shotashvili S.// "Method of Increasing of Resolution of Frequency Comparisons of the Frequency Standards".// "Bulletin of the Georgian Academy of Sciences". July-August 2004, Vol. 170,  № 1, p.p. 70-73. Tbilisi.
  7.  Данелян А.Г., Гарибашвили Д.И., Мачехин Ю.П., Данелян В.А. // "Система для  прецизионных измерений изменений фазы и фазовой нестабильности излучения стандартов оптических частот".// "Прикладная радиоэлектроника", 2004 г., Харьков.
  8.  Stein S., Glaze D., Levine J., Gray J., Hillard D., Howe D., and Erb E.A. // IEEE Trans.Instrum. Meas., vol. IM-32, pp.227-231, 1983.
  9.  Уоллс Ф.Л., Аллен Д.У. // "Измерения стабильности частоты". // ТИИЭР.- т.74.- № 1.- 1986.- с. 182-188.
  10.  Гарибашвили Д.И., Данелян А.Г., Данелян В.А., Датиашвили Г.В., Кававлов А.Л., Кравченко С.А., Фоменков В.В. // "Регулируемый волоконно-оптический фазовращатель электрических сигналов".// "Измерительная техника", 1997 г., № 2, с.26-29.

21

PAGE  20

  1.  

Так как спектральные линии, изображенные на рис. 3.4, некогерентны, результирующая интенсивность равна сумме интенсивностей (сплошная кривая на рис. 3.4). Наличие провала в центре кривой распределения интенсивности указывает на условный характер критерия Рэлея.

Для разрешающей способности дифракционной решетки легко получить из выражения (3.3):

(3.10)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81420. Парадигмы социального поведения при анализе социальной работы 39.02 KB
  Для социального бихевиоризма Скиннера сформировавшегося под влиянием воззрений представителей ортодоксального неопозитивизма и отчасти утилитаризма характерно отождествление механизмов коллективного поведения животных и людей которое рассматривается...
81421. Основные социологические теории и возможность их применения для анализа социальной работы 37.06 KB
  Понимание познание социального действия через его субъективный смысл который вкладывает в данное действие сам субъект. Суть использования понимания состоит в том чтобы поставить себя в положение других людей для того чтобы увидеть какое именно значение они придают своим действиям или каким целям по своему убеждению служат. Исследование значений человеческих поступков это в какойто степени просто развитие наших повседневных попыток понять действия множества различных окружающих нас людей. Действие которое соотносится с действиями...
81422. Конформация пептидных цепей в белках (вторичная и третичная структуры). Слабые внутримолекулярные взаимодействия в пептидной цепи; дисульфидные связи 108.54 KB
  Слабые внутримолекулярные взаимодействия в пептидной цепи; дисульфидные связи. βлисты складчатые слои несколько зигзагообразных полипептидных цепей в которых водородные связи образуются между относительно удалёнными друг от друга 0347 нм на аминокислотный остаток в первичной структуре аминокислотами или разными цепями белка а не близко расположенными как имеет место в αспирали. Стабильность вторичной структуры обеспечивается в основном водородными связями определенный вклад вносят и главновалентные связи пептидные и...
81423. Основы функционирования белков. Активный центр белков и его специфическое взаимодействие с лигандом как основа биологической функции всех белков. Комплементарность взаимодействия молекул белка с лигандом. Обратимость связывания 102.95 KB
  Активный центр белков и его специфическое взаимодействие с лигандом как основа биологической функции всех белков. Каждый индивидуальный белок имеющий уникальную первичную структуру и конформацию обладает и уникальной функцией отличающей его от остальных белков. Набор индивидуальных белков выполняет в клетке множество разнообразных и сложных функций.
81424. Доменная структура и её роль в функционировании белков. Яды и лекарства как ингибиторы белков 106.19 KB
  Яды и лекарства как ингибиторы белков. Некоторые яды попадая в организм человека прочно связываются с определёнными белками ингибируют их и тем самым вызывают нарушения биологических функций. Так лекарства назначаемые в дозах больших чем терапевтические могут действовать как яды т. вызывать серьёзные нарушения обмена веществ и функций организма а яды в микродозах часто используют как лекарственные препараты.
81425. Четвертичная структура белков. Особенности строения и функционирования олигомерных белков на примере гемсодержащего белка - гемоглобина 104.92 KB
  Особенности строения и функционирования олигомерных белков на примере гемсодержащего белка гемоглобина. В частности молекула гемоглобина состоит из двух одинаковых α и двух βполипептидных цепей т. Молекула гемоглобина содержит четыре полипептидные цепи каждая из которых окружает группу гема пигмента придающего крови ее характерный красный цвет. Простетическая группа нековалентно связана с гидрофобной впадиной молекулы гемоглобина.
81426. Лабильность пространственной структуры белков и их денатурация. Факторы, вызывающие денатурацию 100.13 KB
  Под лабильностью пространственной структуры белка понимают способность структуры белковой молекулы претерпевать конформационные изменения под действием различных физикохимических факторов. Под денатурацией следует понимать нарушение общего плана уникальной структуры нативной молекулы белка преимущественно ее третичной структуры приводящее к потере характерных для нее свойств растворимость электрофоретическая подвижность биологическая активность и т. При непродолжительном действии и быстром удалении денатурирующих агентов возможна...
81427. Шапероны - класс белков, защищающий другие белки от денатурации в условиях клетки и облегчающий формирование их нативной конформации 105.78 KB
  Шаперо́ны (англ. chaperones) — класс белков, главная функция которых состоит в восстановлении правильной третичной структуры повреждённых белков, а также образование и диссоциация белковых комплексов. Термин «молекулярный шаперон» впервые был использован в работе Ласкей и других при описании ядерного белка нуклеоплазмина
81428. Многообразие белков. Глобулярные и фибриллярные белки, простые и сложные. Классификация белков по их биологическим функциям и по семействам: (сериновые протеазы, иммуноглобулины) 106.76 KB
  Глобулярные и фибриллярные белки простые и сложные. Так белки можно классифицировать: по форме молекул глобулярные или фибриллярные; по молекулярной массе низкомолекулярные высокомолекулярные и др.; по химическому строению наличие или отсутствие небелковой части; по выполняемым функциям транспортные защитные структурные белки и др.; по локализации в организме белки крови печени сердца и др.