Магнито-оптическая ловушка

Схема экспериментальной магнито-оптической ловушки. Синим показаны катушки, красным — лучи лазеров.

Магнито-оптическая ловушка (MOT) — устройство, которое используется для лазерного охлаждения и магнито-оптического захвата для получения групп холодных, нейтральных атомов при температурах порядка нескольких сотен или десятков микрокельвинов.

Данный метод позволяет захватывать нейтральные атомы, в отличие от ловушек Пеннинга и Пауля которые работают только с заряженными частицами.

История

Спроектирована и реализована в 1987 году Стивеном Чу (Bell Labs). В первоначальной установке использовалось доплеровское охлаждение, были достигнуты температуры порядка 600 микрокельвинов (300—1000 мкК), время удержания более 2 минут, плотность нейтральных атомов Na 2*10^11 ат/см³, количество атомов более 10^7.^[1]

За создание МОТ и исследования с её применением Стивен Чу был удостоен Нобелевской премии по физике 1997 года.

Устройство

Схема полей в МОТ. Синим показаны катушки в конфигурации anti-Helmholtz. Буквами σ обозначены встречные лучи лазера по оси X, лазеры по осям Y и Z не показаны для простоты. В центре обозначено охлажденное облако.

Магнито-оптическая ловушка является развитием первоначальной схемы Стива Чу по охлаждению атомов в оптической патоке. Охлаждение происходило в вакуумной камере, в области, в которой пересекались шесть лазерных охлаждающих пучков (по два вдоль каждой оси, часто получают при помощи 3 лазеров и 3 зеркал). Из-за действия силы тяжести охлажденные атомы быстро, за время порядка одной секунды, выпадали из охлаждаемой области. Для компенсации притяжения в установке при помощи двух соленоидов создавалось квадрупольное магнитное поле. Соленоиды размещаются соосно перед и после области патоки, в конфигурации, сходной с кольцами Гельмгольца. В отличие от схемы Гельмгольца ток в катушках течет в противоположных направлениях.

Применение

Облака рубидия-85 в МОТ.

MOT часто используются как первый этап в получении конденсата Бозе-Эйнштейна, в том числе использовались в экспериментах по атомным лазерам^[2]

Могут использоваться в атомных часах повышеной точности.^[3]

Охлажденный в MOT ¹³³Cs использовался для получения наиболее точных измерений нарушения CP.

Ограничения

Для большинства атомов минимальная температура, достижимая в МОТ, ограничена доплеровским пределом. Эффективному охлаждению до более низких температур (субдоплеровскому охлаждению) препятствует наличие магнитного поля. Для некоторых редкоземельных атомов, например Тулия и Эрбия, удается достичь температур на порядок более низких, чем доплеровский предел.^[4]

См. также

• Оптическая патока (англ.)

Примечания

1. ↑ «Trapping of neutral sodium atoms with radiation pressure»
2. ↑ http://www.scientific.ru/journal/news/1203/n131203.html «Чисто оптическая реализация атомного лазера.» //Журнал Scientific.ru. цит: «была достигнута Бозе-конденсация атомов в магнито- оптических ловушках»
3. ↑ Better Lasers and Atomic Traps Yield Better Timekeeping — JILA (Photonics Spectra | Feb 2007 | Features)
4. ↑ Субдоплеровское лазерное охлаждение атомов тулия в магнито-оптической ловушке и магнитное удержание атомов тулия в низкоградиентной магнитной ловушке Д. Д. Сукачев и др. // Журнал Наносистемы: физика, химия, математика, 2012, 3 (1), С. 125—131

Литература

• The Nobel prize in physics 1997. Nobelprize.org (October 15, 1997). Архивировано из первоисточника 16 мая 2012. Проверено 11 декабря 2011.
• Raab E. L. , Prentiss M., Cable A., Chu S., Pritchard D.E. (1987). «Trapping of neutral sodium atoms with radiation pressure». Physical Review Letters 59 (23): 2631–2634. DOI:10.1103/PhysRevLett.59.2631. Bibcode: 1987PhRvL..59.2631R. [1]
• Metcalf, Harold J. and Straten, Peter van der. Laser Cooling and Trapping. — Springer-Verlag New York, Inc, 1999. — ISBN 9780387987286
• Foot, C.J. Atomic Physics. — Oxford University Press, 2005. — ISBN 9780198506966
• Monroe C, Swann W, Robinson H, Wieman C. (1990-09-24). «Very cold trapped atoms in a vapor cell». Physical Review Letters 65 (13): 1571–1574. DOI:10.1103/PhysRevLett.65.1571. PMID 10042304. Bibcode: 1990PhRvL..65.1571M.
• Liwag, John Waruel F. Cooling and trapping of 87Rb atoms in a magneto-optical trap using low-power diode lasers, Thesis 621.39767 L767c (1999)
• K B Davis, M O Mewes, M R Andrews, N J van Druten, D S Durfee, D M Kurn, and W Ketterle (1997-11-27). «Bose-Einstein Condensation in a Gas of Sodium Atoms». Physical Review Letters 75 (22): 3969–3973. DOI:10.1103/PhysRevLett.75.3969. PMID 10059782. Bibcode: 1995PhRvL..75.3969D.

Ссылки

• Атомы в оптической патоке. Ю. К. Джикаев, кфмн
• Развитие методов охлаждения и пленения атомов с помощью лазерного света. Нобелевские лекции по физике 1997 // УФН март 1999 т 169 № 3
• Лазерное охлаждение и пленение нейтральных атомов. Нобелевские лекции по физике 1997 // УФН март 1999 т 169 № 3