激光冷却和波色-爱因斯坦凝聚.ppt

激光冷却和波色 爱因斯坦凝聚 什么叫激光冷却 利用激光光子和原子间的动量传递 使原子云 团 的速度分布范围压缩 利用激光光场形成的势阱对原子进行捕陷或囚禁 温度 温度实际上反映了空气中分子的运动能量的大小 温度越低 空气分子平均动能越小 根据气体分子的麦克斯韦分布有 不同温度定义 多普勒冷却极限温度参与冷却激光冷却力与冷却过程中自发辐射引起的扩散达对原子共同作用到平衡的结果 Na238 KRb142 KCs120 K 量子反冲极限温度原子速度分布在一个光子反冲以内 即Na2 4 KRb0 37 KCs0 20 K 一 概述 1 激光冷却研究对象 原子在光吸收和反射过程中所受的力学效应及其应用等问题 2 光子的动量 康普顿效应 康普顿效应 1923 当看成微粒入射的X射线与物质内的电子撞击时 电子将使x射线微粒散射撞向至与入射方向不同的方向上 即x射线微粒改变运动方向 故其动量发生变化 爱因斯坦跃迁理论 1916 受激吸收 自发辐射 受激辐射 激光冷却的发展历史 1933年由Firsch用钠灯使钠原子束发生略微的偏转 1975年Hansch和Shawlow提出激光冷却1978年Ashkin提出原子俘获的想法1979年Balykin Letokhov等啁啾激光原子束减速1982年Phillips等空间塞曼原子变频原子束减速 1985年朱棣文实现原子三维冷却1986年实现三维原子捕获 10 4K 1987年亚多普勒冷却 10 5K 1992年喇曼激光冷却1994年相干布居数囚禁实验 10 7K 1995年实现波色 爱因斯坦凝聚 nK 原子束的减速 利用共振激光与原子束对射 在原子受激吸收过程中 光子的定向动量传给原子 使原子减速 然后 原子自发辐射回到基态 这时 发射光子方向是任意的 从大量平均效果来说 自发辐射对原子动量改变贡献为零 需注意的两个问题 多普勒频移原子减速过程中由于多普勒效应实际感受的的频率为原子与光束反向时 共振频率向频率较低处移动 红移 同向时 共振频率向高处移动 蓝移 对于钠原子束600 K 平均速度在1000米 秒 每吸收一个光子速度改变3厘米 秒 需要吸收3 104个光子才能将原子速度减至零 但由于多普勒效应的影响 冷却过程中原子共振频率是不断变化的 原子吸收100个光子由于多普勒频移的改变就会离共振 使冷却过程终止 光抽运 原子基态是多重的 而作用光只能与其中的一对基态和激发态共振 在自发辐射过程中 原子又不一定回到基态 可能被光抽运到其他基态能级 从而使冷却停止 光抽运问题的解决 1 用多个频率的光共同作用 2 用圆偏振光 扫频 啁啾 减速 空间塞曼能级变化 可以制造一空间变化的磁场 使塞曼能级变化抵消冷却引起的多普勒频移变化 多普勒冷却 三维多普勒冷却 光学粘胶 S Chu1985 光陷阱 利用光的偶极势囚禁原子缺点 有自发辐射存在的加热效应 冷却后原子的囚禁 磁陷阱 利用磁场空间变化囚禁原子缺陷 在B 0附近原子会磁矩迷失 从而发生逃逸 磁光陷阱 温度测量 飞行时间法通过测量原子云在自由下落过程中的扩散情况 测量原子云中原子速度的分布情况 从而求得温度 多普勒冷却的突破 1985年美国NIST小组得到了一些用多普勒理论无法解释的结果 在磁光陷阱中得到原子云的温度低于多普勒极限温度 与此同时 中科院上海光机所王育竹也在原子束上观察到一维冷却低于多普勒极限温度的情况 西西弗斯效应 原子在强驻波场中 由于斯塔克效应能级会随场强变化 原子通常在走到基态顶部更易吸收红移光子到达激发态底部 而激发态原子消耗动能到达顶部 这时 自发辐射的几率最大 放出蓝移光子 回到基态低部 原子再消耗动能爬上基态的低部 再一次吸收红移光子到达激发态底部 这样不断吸收红移光子放出蓝移光子使原子动能不断消耗 而被冷却 偏振梯度冷却 亚反冲极限冷却 速度选择相干布居数囚禁原子存在一个与速度有关而与光无关的黑态 可作为原子的囚禁态喇曼冷却利用原子喇曼跃迁 对原子有速度选择的作用 从而达到冷却原子的目的 速度选择相干布居数囚禁 对于原子和光场组成的系统 光场 原子与原子和光的相互作用的哈密顿算子HA HL和VAL对于态组成的基组的总哈密顿量为其中 R为拉比频率 对于态 有 即光场和该态没有作用 这个态被称为黑态 喇曼冷却 蒸发冷却与波色 爱因斯坦凝聚 什么是波色 爱因斯坦凝聚 当原子云的密度和温度达到一定的限度 使得原子与原子间的物质波发生交叠 原子出现了群体得效应 如超导 超流等 如果原子相空间密度达到可观察到波色 爱因斯坦凝聚 蒸发冷却 磁陷阱的堵漏 波色 爱因斯坦凝聚的实现 玻色 爱因斯坦凝聚性质 1 BEC的静态性质 BEC的静态性质主要指它的大小 形状 转变温度 凝聚态原子数和原子密度等 这取决于原子的特性与囚禁势的不同 BEC的大小为10 m 100 m量级 由于势阱中的势是各向异性的 因此多数BEC的形状不呈圆形 而是椭球状 其长短轴线度之比称为纵横比 aspectratio 一般为几到十几 甚至更大 一般转变温度为100nK 2 K 受势阱情况影响很大 也与阱中原子数和密度有关 凝聚原子数则从几百到109 原子密度变化也很大 可高达1015 cm3 2 BEC的动态特性 BEC的动态特性包括了一系列现象 是研究的主要方面 如BEC的稳定性 扩张 集体激发 振荡和衰变等 这些现象都涉及BEC内原子之间和原子与阱势的相互作用 是 非常冷 的原子团的特性 BEC是不稳定的 随着时间衰变 有一定寿命 一般为几秒到几分钟 撤去磁阱后BEC自由膨胀 其原因有二 一是因为原子团被阱束缚在很小的范围内 根据测不准关系 位置限制得愈小 动量的变动就越大 因此 BEC从阱中释放后 扩张很快 二是原子间的相互作用 它们是排斥性的 也使BEC扩张 BEC是一种宏观量子现象 在磁阱中纯BEC的温度接近于零 但处在量子基态的原子团还在做零点振动 可以把它们集体激发 也是一种 元激发 使它们激发到阱中的高能级激发态 它们也可用n l m量子数来描述 其中n表示径向量子数 l m表示总角动量及其轴向分量 激发方法是对阱势做一个随时间变化的扰动 或进行调制 然后对它们的动态特性进行测量 一般是用吸收成像法或在位色散成像法 后者更好 测原子云的形态变化 振动及其随时间的衰减 原子云的振荡实际上是声振荡 因此对声波传播具有重要影响 这是传统超流体研究的主要课题 对了解玻色气体的动力学性质有显著作用 3 BEC的相干性 玻色凝聚体的一个显著特点是可用一个宏观波函数来描述 整个原子云具有统一的相位 因此BEC中的原子具有相干性 如果两团BEC相遇 就会出现干涉条纹 4 BEC的宏观物质波性质 BEC有波动性质 比如 布喇格衍射 此外 在非线性介质中还有类似非线性光学的性质 如产生四波混频 可进行物质波放大等 5 BEC的转动 涡旋和超流性质 超流的一个奇异特性体现在 旋转水桶 实验中 寻常液体放在一个转动容器中 液体将跟着整个容器转 但超流体则完全不同 若转动频率低 液体不转 若转动频率高于某一临界值 则液体的速度场中会出现涡旋丝 它是量子化的 即环绕涡旋的速度环流之值为 其中 为流体旋转速度 n是整数 M是液体粒子的质量 h是普朗克常数 BEC中的 速度 体现在其相位的梯度上 这种量子化也可理解为围绕涡旋一圈相位改变2 因此 出现涡旋是BEC超流性的表现 与超流有关的一个突出成果是BEC在光学栅格中从超流态转到绝缘态的相变实验 这个实验由Hansch小组完成 他们在87Rb的BEC中用六束正交激光驻波发生光学栅格 形成如图那样的势垒 调节激光强度可以改变势垒的峰谷高度 从而实现BEC状态的转变 在低温下 约10nK以下 所有气体铷原子可自由在BEC中流动而没有摩擦 处于超流态 当势垒有一些高度时 气体仍保持着超流态 所有原子仍是相干的 但当势垒高度超过一定值时 原子被禁锢在一个势谷中而不能流动 成为绝缘态 各格点中的原子失去了相干性 就是用这种方法 他们实现了BEC两种状态之间的相变 图67 a h 显示了势垒高度从0Er逐步过渡到3Er 7Er 10Er