PUŁAPKA MOT

[Chłodzenie - zimne atomy]
[Opis układu pułapki magneto-optycznej]
[Elektromagnetycznie wymuszona przezroczystość w pułapce MOT]
[powrót do strony głównej]

1. Chłodzenie - zimne atomy

Badania zimnych atomów metali alkalicznych są stosunkowo nową dziedziną podejmowaną przez wiodące, światowe ośrodki badawcze. W latach 90-tych nastąpił dynamiczny rozwój metod chłodzenia i pułapkowania atomów, uwieńczony przyznaniem nagrody Nobla w 1997 roku dla S. Chu, C. Cohen-Tannoudji'ego i W. Phillipsa za rozwój optycznych metod chłodzenia i pułapkowania atomów.
Pułapki magneto-optyczne umożliwiają ochłodzenie gazu neutralnych atomów do temperatur rzędu 100µK. Proces chłodzenia sprowadza się do wyhamowania ruchu atomów poprzez przekaz pędu od rezonansowego fotonu w procesie absorpcji z wiązki laserowej. Każdy taki proces absorpcji fotonu zimniejsza współbieżną z kierunkiem wiązki składową pędu atomu o kh. Podczas emisji spontanicznej pęd atomu zwiększa się, jednakże izotropowy charakter emisji spontanicznej powoduje, ze po wielu takich aktach jej wkład do wartości pędu atomu uśrednia się do zera. Proces pułapkowania i chłodzenia uzyskujemy oświetlając gaz atomów sześcioma przeciwbieżnymi, wzajemnie prostopadłymi wiązkami laserowymi o odpowiednio dobranej częstości oraz polaryzacji. Nieodzowne jest również wytworzenie gradientu pola magnetycznego, którego wartość w centrum pułapki wynosi 0. Pole to rozsuwa poziomy Zeemanowskie zapewniając oddziaływanie wiązek laserowych z wybraną grupą atomów w zależności od ich aktualnego położenia w stosunku do centrum pułapki.
Pułapki magneto-optyczne stanowią istotny element układu do wytworzenia kondensatu Bosego-Einsteina. Wykorzystywane są one do wstępnego ochłodzenia atomów (do temperatury ~100µK), które następnie ładowane są do tzw. ciemnej pułapki i chłodzone przez parowanie. Pułapki magneto-optyczne znajdują też coraz liczniejsze zastosowanie w doświadczeniach optyki kwantowej i psektroskopii.

2. Opis układu pułapki magneto-optycznej

Układ pułapki magneto-optycznej (MOT) (por. rys. 1, 2,3) dla atomów 85Rb, skonstruowanej i uruchomionej w IF PAN w pracowni doc. dr hab. M. Głódź, charakteryzuje się znaczną uniwersalnością pod kątem przyszłych zastosowań. Głównym konstruktorem jest dr Krzysztof Kowalski (K.K.). Konstrukcja została tak pomyślana, aby umożliwić swobodną aplikację dodatkowej aparatury,przewidzianej do danego doświadczenia. W dużej mierze przyczyniło się do tego użycie dużych (największe mają średnice 1m) cewek Hemholtza do kompensacji pola ziemskiego w centrum pułapki, a także podział układu optycznego na dwie niezależne części, ułatwiające justowanie pułapki po ewentualnych zmianach w układzie laserowym.Wiązki laserowe wytwarzane są przez 3 lasery półprzewodnikowe. Dwa z nich to komercyjne jednodomowe lasery z zewnętrzną komorą rezonansową (ECDL), trzeci, został całkowicie wykonany w naszym laboratorium i pełni rolę wzmacniacza (w układzie injection locking, [J. Yu et al, J. Phys. III (1992) 1615.]) dla lasera chłodzącego atomy rubidu.
Jednym z podstawowych problemów, który należy rozwiązać konstruując pułapkę to uzyskanie odpowiedniej częstości promieniowania emitowanego przez laser chłodzący. Wymagane jest uzyskanie częstości promieniowania przesuniętej o ok. 10MHz od linii rezonansowej. W tym celu zostały zaprojektowane i wykonane przez (K.K) niezbędne układy elektroniczne (układ regulacyjny, precyzyjne sumatory analogowe, układy regulacji offsetu, 6 kanałowy, regulowany generator napięcia liniowo narastającego, wzmacniacze dla fotodiod), umożliwiające zastosowanie opisanych dalej metod stabilizacji częstości laserów w połączeniu z posiadanymi zasilaczami prądowymi do tych laserów. W naszym układzie zastosowaliśmy metodę stabilizacji tzw. Dichroic AtomicVapor Laser Lock, która wykorzystuje zjawisko Zeemana [K. L. Corwin, Z. - T. Li, C. F. Hand, R. J. Epstein, C. E. Wieman: Appl. Opt. 37, 3295 (1998)]. Podstawową zaletą tej metody jest to, że umożliwia przestrajanie częstości generacji promieniowania laserowego w szerokim zakresie (ok. 200 MHz) i nie wymaga drogiej aparatury towarzyszącej. Uniemożliwia ona natomiast dokładne określenie częstotliwości lasera, gdyż operuje na liniach absorpcyjnych poszerzonych dopplerowsko. Z tego względu używamy dodatkowo układu wykorzystującego spektroskopię nasyceniową, który podczas uruchamiania pułapki umożliwia zlokalizowanie przejścia chłodzącego 52S1/2(F=3) → 52P3/2(F=4).

Chłodzenie atomów rubidu wymaga jeszcze jednej wiązki laserowej (tzw. repompującej), która jednocześnie z wiązką chłodzącą trafia do pułapki. Wiązka ta ma za zadanie wzbudzanie atomów ze stanu 52S1/2(F=2) (do którego trafiają na skutek zderzeniowego przekazu wzbudzenia w stanie 52P2/3 i fluorescencji) do stanu związanego z przejściem emisyjnym 52S1/2(F=3), aby dalej mogły brać udział w procesie chłodzenia. Stosowany w chwili obecnej do tego celu laser, ze względu na brak odpowiedniego wyposażenia, nie posiada żadnego układu stabilizacji częstości generowanego światła, co znacząco utrudnia pracę z układem. Do wykonywania pomiarów zostało zaprojektowane i wykonane przez (K.K.) urządzenie mikroprocesorowe umożliwiające przestrajanie częstości półprzewodnikowego lasera pomiarowego przy pomocy komputera (program sterujący został tak napisany, aby zminimalizować prawdopodobieństwo przeskoków modów lasera). Wykorzystuje ono 12 bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy, który regulując napięcie na piezo-elemencie, steruje obrotem siatki dyfrakcyjnej lasera. Jednocześnie urządzenie wyposażone jest w 16 bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy umożliwiający rejestracje badanego sygnału analogowego. Wykonane urządzanie sterowane jest przy pomocy specjalnie napisanej w tym celu aplikacji dla systemu Windows.

3. Elektromagnetycznie wymuszona przezroczystość w pułapce MOT

Badamy widma elektromagnetycznie wymuszonej przezroczystoci (EIT) o złożonej strukturze. Zasadniczo, zjawisko EIT zachodzi w układzie trójpoziomowym. Rozróżnia się trzy podstawowe schematy w których może ono zachodzić: lambda, V, kaskada. Zjawisko EIT polega na destruktywnej intereferencji amplitud przejcia, która prowadzi to powstania okien o podwyższonej transmisji słabej wiązki próbkującej (p) w widmie absorpcyjnym atomów w obecnoci silnej wiązki sprzegającej (c) (Rys.1) Transmisja (lub absorpcja) i współczynnik załamania danego rodowiska opisywane są przez częć urojoną oraz rzeczywistą podatnosći. Występowaniu EIT towarzyszy skokowa zmiana współczynnika załamania (Rys. 2), zjawisko to jest wykorzystywane do spowalniania (a nawet zatrzymywania) impulsów wiatła, bazując na zależnoci predkoci grupowej wiatła vg on dn/dωp [1].
W wielu dowiadczeniach, poziomy pomiędzy którymi zachodził EIT, wybierano tak, aby odległoci do pozostałych poziomó były na tyle duże, by rozważać zjawisko EIT w układzie trójpoziomowym.W związku z tym, EIT w atomach 87Rb jest znacznie częciej przedmiotem badań, gdyż posiada rzadszą strukture nadsubtelną niż85Rb. W naszych badaniach skupiamy się na otrzymywaniu widm EIT o złożnej strukturze, wychodząc poza model atomu trójpoziomowego. Jednym z naszych głównych celów jest przygotowanie orodka o dobrze kontrolowanych właciwociach do jednoczsnego spowalniania impulsów wiatła o różnych, bliskich częstociach. In this context, a multi-window EIT was communicated in the literature as produced e.g. (i) by using bichromatic coupling fields [2], or (ii) in a multi-level cascade scheme involving a dense hfs manifold [3]. Schemat naszego układu dowiadczalnego przedstawiony jest na Rys.3.

REFERENCES

[1] M. Fleischhauer et al., Rev. Mod. Phys. 77 (2005) 633 .
[2] J.Wang et al., Phys. Rev A 68 (2004) 063810.
[3] J. Wang et al., Phys. Lett. A 328 (2004) 437.
[4] K. Kowalski et al., Optica Applicata 36 (2006).