T - Abteilung Prof. Dr. H. Helm

Laserkühlen
Reibungskräfte bei der
Licht-Atom Wechselwirkung
Reibung und Halt (Dissipation)
Temperatur
Licht (Welle oder Teilchen ?)
Atome (elektronische Struktur)
Licht-Atom Wechselwirkung
Warum all dies ?
Hanspeter Helm
Freiburg Seminar Dez. 2008
1
tägliche Erfahrung:
Elektrisch neutrale Körper können über physikalischen Kontakt mit
anderen Körpern “mechanisch“ bewegt oder gehalten werden.
Ursache für den mechanischen Halt /
mechanische Kraftübertragung sind
elektromagnetische Kraftwirkungen,
die bei Annäherung im Bereich
atomarer Dimensionen auftreten.
potentielle Energie
Erscheint völlig anders als elektrisch geladene oder magnetisierte Körper,
deren Bewegung man mit elektrischen und magnetischen Feldern kontrolliert.
repulsiv
Potentialminimum
Abstand
attraktiv
2
“Mechanische” Kraftwirkungen
+ Gravitation +
Reibungskräfte ?
EM-Wechselwirkung
3
Federpendel, gedämpft
Eigenfrequenz = Resonanzfrequenz
Dämpfungsrate
Reibung
in der
Feder
Rate= Hz =1/s
Lebensdauer = 1 / Dämpfungsrate
Viskosität
der
Umgebung
4
Polieren von Diamant
• Diamant ist das härteste bekannte Material
• Indische und europäische Handwerker polieren
Diamant seit Jahrhunderten
• Die exakten Mechanismen sind unverstanden
• Diamant (111) ist schwer zu polieren
(kleiner Abrieb, schlechte Oberflächenqualität)
• Diamant (001) hat 4 weiche Richtungen
(großer Abrieb) in (100) etc.
• Diamant (011) hat 2 weiche Richtungen
(großer Abrieb) in (100)
Prof. Dr. Michael Moseler
Modelling and Simulation of Functional
Nanosystems
Institute of Physics
Albert-Ludwigs University of Freiburg
5
Polieren von Diamant
Molekulardynamik
• Diamant ist das härteste bekannte Material
• Indische und europäische Handwerker polieren
Diamant seit Jahrhunderten
• Die exakten Mechanismen sind unverstanden
kristallin
• Diamant (111) ist schwer zu polieren
(kleiner Abrieb, schlechte Oberflächenqualität)
• Diamant (001) hat 4 weiche Richtungen
amorph
(großer Abrieb) in (100) etc.
• Diamant (011) hat 2 weiche Richtungen
(großer Abrieb) in (100)
kristallin
Prof. Dr. Michael Moseler
Modelling and Simulation of Functional
Nanosystems
Institute of Physics
Albert-Ludwigs University of Freiburg
400 600 800 K
6
Thermische Bewegung bei 300 K
Gasatome
Atome im Festkörper
Phononen
<v> = 300 m/s
Δx = 3 pm
Temperatur = T
mittlere Geschwindigkeit = !v"
d
l
e
sf
g
n
u
l
h
tra
S
mittlere kinetische Energie = 32 kT = 12 m!v"2
7
Temperaturskalen
300 K
Kelvin
F
oC
300 K ⇔ 300 m/s
30 nK ⇔ 3 mm/s
Kühlen mit Licht
8
Licht und Wellen (Dipol-Antenne)
Atome und ihre elektronische Struktur
wie spricht Licht mit Atomen
wie kann dabei Reibung auftreten
9
Hertzscher Dipol
!
!
Plattenkondensator
elektrisches Feld
Gleichstrom durch Draht
magnetisches Feld
" !Felder erfüllen den Raum.
Stationäres Bild, EM
Felder kennen wir über ihre Kraftwirkung.
Felder breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus.
10
Hertzscher Dipol
zwei elektrische Ladungen
elektrisches Feld
Gleichstrom durch
Drahtschleife
magnetisches Feld
Stationäres Bild, EM Felder erfüllen den Raum.
Felder kennen wir über ihre Kraftwirkung.
Felder breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus.
11
Elektrische Wirbelfelder lösen sich ab
!
!
"
!
"
!
"
"
!
!
!
&#$ #' () *
&#$ #' (+ *
&#$ #, () *
Dipolmoment
!#$ #%
&#$ #%
t
0
1
T
8
1
T
4
T = λ/c = 1/ν
3
T
8
12
Skalen des EM Spektrums
Frequenz ν
Hz
Art
der Strahlung
Gamma
3 × 1020
Wellenlänge
Energie
der Photonen1
1 pm
1 MeV
100 Å
100 eV
500 nm
2.0 eV
100 µm
10 meV
1m
1 µeV
Röntgen
3 × 1016
6 × 1014
Ultraviolett
Sichtbar
Infrarot
3 × 1012
Mikrowellen
3 × 108
Radiowellen
1
x 0.84
13
Wellennatur
14
Interferenz
15
Interferenz
Doppelspalt
16
Interferenz im Photonenbild
Quelle
Doppelspalt
Detektor
Interferenzmuster
17
H. Hertz 1887
prüft Maxwells Theorie :
von einem Funken sollten EM Wellen auslaufen
!
d
! · d!s = −
E
dt
C
"
! · dS
!
B
&
!
!
"
" # $" %
!
18
Photoeffekt
A. Einstein 1905
EM Strahlung besteht aus
QUANTEN der Energie hν,
wobei ν die Frequenz ist.
Hertz findet,
dass die Funken größer sind,
wenn zusätzlich auch Licht
auf die Elektroden fällt.
Ganz besonders bei UV Licht.
19
Photoeffekt
A. Einstein 1905
EM Strahlung besteht aus
QUANTEN der Energie hν,
wobei ν die Frequenz ist.
Der Impuls p eines einzelnen
QUANTS ist p = hν/c,
wobei c die
Lichtgeschwindigkeit ist.
Metalloberfläche
20
Photoeffekt
A. Einstein 1905
EM Strahlung besteht aus
QUANTEN der Energie hν,
wobei ν die Frequenz ist.
Der Impuls p eines einzelnen
QUANTS ist p = hν/c,
wobei c die
Lichtgeschwindigkeit ist.
Metalloberfläche
21
Energiestromdichte / Strahlungsdruck
100 W/m2
z
9 m
0
0×1
15
7×
8
10
m
5 M W/m
2
sem
1
∝ 2
r
Sonne
helles
Sonnenlicht
auf ein
1m2mit.
entspricht
0.8 mg
Strahlungsfeld
trägt auch
Impuls
Strahlungsdruck
22
Geschichte der Lichtkraft
1619 Kepler
1873 Crookes
23
Geschichte der Lichtkraft
1900 Lebedev
1 cm
24
Strahlungsdruck : Solar Sail
http://solarsails.jpl.nasa.gov/
25
Geschichte der Lichtkraft
1933 Otto Frisch
1968 Lethokov
hν
p=
c
"
!
#
!
$ %& ' () *+ , $ '
- , ./, ) %(0 1
/$ 2 , 3 *+ , $ '
1978 Ashkin
... the forces exerted by a focused beam of laser light are
strong enough to push tiny particles around freely.
Several applications based on this finding are proposed ...
26
Atomare Struktur
+ Licht
27
Strenge Vorschriften + präzise
Aussagen der Quantenmechanik
Helium
Lithium
Beryllium
Energie der Photonen →
Wasserstoff
Emission und Absorption von Lichtquanten
28
Reduktion auf Zwei-Niveaus
PhotonenAbsorption
spontane
Emission
stimulierte
Emission
29
Spontane Emission
PhotonenAbsorption
spontane
Emission
N
stimulierte
Emission
= N0 exp[−t/τ ]
Lebensdauer τ
30
Laser
Spontane Emission
Stimulierte Emission
31
Impulsübertrag bei spontaner Emission
Doppler-Effekt kontrolliert
Resonanzbedingung
Impulsübertrag bei Absorption
32
Optischer Honig
! " #$ % % & %
' & $ ! %
! " #$ % % & %
($ ##)* +
$ ," ! %
. /" ' &
' & $ !
- " ##& - ,)" *
" . ,)- %
0 & ,& - ," /
33
Stern-Gerlach F=1
CO2 on
10 ms
MOTCoils
free fall
Magnet on
!"$%
!"#
!"&%
after free fall
of 10 ms
'#
#()
!
7 G/cm
C. Kaefer 2006
34
Stern-Gerlach F=1
CO2 on
ms
dipole trap
1 ms
Magnet on
40
40
20
20
0
0
mF = +1
0
mF = 0
-20
0
mF = −1
-40
0
-20
0
-40
z
200
200
0
0
-200
y
z
-200
y
UD (!r) − M gg z + mF g B(!r)
35
Lichtkräfte
Stimulierte Absorption
Stimulierte Emission
Spontane Emission
Strahlungsfelder
Impulsübertrag
Atom
hν
p=
c
leeres Reservoir
36
The Nobel Prize in Physics 1997
"for development of methods to cool and trap atoms with laser light"
Steven Chu
Claude Cohen-Tannoudji
William D. Phillips
37
Unschärfe beim Messprozess
∆E · ∆t ≥ !
Je länger man eine Messung durchführt,
umso kleiner ist
die Ungenauigkeit in der Energiemessung
38
Zacharias Springbrunnen
Zacharias 1953
Peters & Chu 1999
Nature 416, 206-210 (2002)
39
Anwendungen
Genaue atomare Uhren
Atomoptik: Aus Licht aufgebaute Linsen für Atome
Architektur im atomaren Bereich
Nur mit Licht kann man Antimaterie manipulieren
Bose-Einstein Kondensation
Atominterferometer
Laserpinzette
.........
40
Passive frequency standard
Output signal is derived from an oscillator.
The oscillator is locked to the atomic resonance frequency,
Bloc
ked
instead of being directly output by the atoms.
http://tf.nist.gov/general/enc-c.htm
41
1s
fluorescence of atoms whose
atomic state was altered by the
microwave signal is detected
42
#6*17'$'+*'42$8*/$90+7+&*
G. Mileti, H. Schweda, S. Murphy, A. Maurissen
Observatoire Cantonal de Neuchâtel, Neuchâtel, Switzerland
!"#$%&''()#$*$+&'#,$-.,$/&0(0#.
! "#$%#&%&'()'*+,)$'-.&,/0%#'
1()%,'+#'/,2+$
! 3+44'2%'$5%'6/)$')$(24%'74/78'+#'
)9(7%
! :%4($+;%'*,%<=%#7.'+#)$(2+4+$.'
>'?'@AB@C D@AA)
! E+6%'%,,/,'F'@ABG )H&(.
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! @J'80K'JJ3
12$34
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3*/42(*5
! E%69%,($=,%',(#0%'L<=(4MN
BOOPQ'$/'R@SPQ
:72;*)$<=>$?0-$@AAB$= C>
43
A chip-scale atomic clock based on 87Rb with
improved frequency stability
drift is most likely due to a slow change in the buffer-gas
pressure due to residual chemistry within the cell. While this
linear drift will need to be addressed eventually, its predict-
By m
and w
S. Knappe, P.D.D. Schwindt, V. Shah†, L. Hollberg, and J. Kitching
Time and Frequency Division, National Institute of Standards and Technology, 325 Broadway, Boulder, CO 80305,
USA
†
also with: Physics Department, University of Colorado, Boulder, CO 80309, USA
[email protected]
http://www.boulder.nist.gov/timefreq/ofm/smallclock/
L. Liew and J. Moreland
Electromagnetics Division, National Institute of Standards and Technology, 325 Broadway, Boulder, CO 80305, USA
Abstract: We demonstrate a microfabricated atomic clock physics package
based on coherent population trapping (CPT) on the D1 line of 87Rb atoms.
The package occupies a volume of 12 mm3 and requires 195 mW of power
to operate at an ambient temperature of 200 °C. Compared to a previous
microfabricated clock exciting the D2 transition in Cs [1], this 87Rb clock
shows significantly improved short- and long-term stability. The instability
at short times is 4 × 10-11 / τ1/2 and the improvement over the Cs device is
due mainly to an increase in resonance amplitude. At longer times (τ > 50
s), the improvement results from the reduction of a slow drift to −5 x 10-9 /
day. The drift is most likely caused by a chemical reaction of nitrogen and
barium inside the cell. When probing the atoms on the D1 line, spinexchange collisions between Rb atoms and optical pumping appear to have
increased importance compared to the D2 line.
FIG. 2. Excitation of the atomic microwave resonance using coherent population trapping. Two optical fields, produced by modulating the current of a
diode laser, are tuned to be simultaneously resonant with transitions from
the pair of hyperfine-split ground states to a common excited state. The
nonlinear response of the atom generates a resonant excitation of the hyperFIG. 3
fine transition at the difference frequency of the optical fields. The resonance
tion of
is measured by monitoring the transmitted optical power as a function of the
indicat
modulation frequency detuning from the atomic transition, %.
instabi
Downloaded 30 Aug 2004 to 141.20.49.4. Redistribution subject to AIP lic
EIT: electromagnetically induced transparency
CPT: coherent population trapping
2005 Optical Society of America
OCIS codes: (300.6320) Spectroscopy, high-resolution; (350.3950) Micro-optics
References and links
1.
S. Knappe, V. Shah, P. Schwindt, L. Hollberg, J. Kitching, L. Liew, J. Moreland, ”A microfabricated atomic
clock,” Appl. Phys. Lett. 85, 1460-1462 (2004) .
2. J. Vig, “Military applications of high-accuracy frequency standards and clocks,” 40, 522-527 (1993).
3. H. Fruehoff, “Fast "direct-P(Y)" GPS signal acquisition using a special portable clock,” in Pro.c 33rd Ann.
Precise Time and Time Interval (PTTI) Systems and Applications Meeting, Long Beach, CA, November 2729, 359-369 (2001).
4. J. A. Kusters and C.A. Adams, “Performance requirements of communication base station time standards,”
RF design, 28-38 (1999).
5. L. Liew, S. Knappe, J. Moreland, H.G. Robinson, L. Hollberg, and J. Kitching, “Microfabricated alkali atom
vapor cells,” Appl. Phys. Lett. 48, 2694-2696 (2004).
6. S. Knappe, V. Velichansky, H.G. Robinson, L. Liew, J. Moreland, J. Kitching, and L. Hollberg, ”Atomic
Vapor Cells for Miniature Frequency References,” in Proc. of the 2003 IEEE International Frequency
Control Symposium and PDA Exhibition Jointly with the 17th European Frequency and Time Forum,
(Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, 2003), 31-32.
7. P. R. Wallis and D. I. Pomeranz, “Field Assisted Glass-Metal Sealing,” J. Appl. Phys. 40, 3946-3949 (1969).
8. E. Arimondo, “Coherent population trapping in laser spectroscopy,” in, Progress in Optics XXXV, E. Wolf,
eds. (Elsevier, Amsterdam,1996), pp. 257-354.
9. M. Stähler, R. Wynands, S. Knappe, J. Kitching, L. Hollberg, A. Taichenachev, V. Yudin, “Coherent
population trapping resonances in thermal Rb-85 vapor: D-1 versus D-2 line excitation,” Opt. Lett. 27,
1472-1474 (2002).
10. R. Lutwak, D. Emmons, T. English, W. Riley, A. Duwel, M. Varghese, D.K. Serkland, G.M. Peake, “The
Chip-Scale Atomic Clock - Recent Development Progress,” in Proc. 34th Annual Precise Time and Time
Interval Systems and Applications Meeting, San Diego, CA, December 2-4, 2003.
11. W. Happer, “Optical pumping,” Rev. Mod. Phys. 44, 169-242 (1972).
#6286 - $15.00 US
(C) 2005 OSA
1 mm
Received 11 January 2005; revised 10 February 2005; accepted 14 February 2005
21 February 2005 / Vol. 13, No. 4 / OPTICS EXPRESS 1249
http://tf.nist.gov/ofm/smallclock/index.htm
44
S. Chu 1993 - 2001
S
45
Dankeschön fürs Zuhören
46