Védeni kell a kifolyástól IONCSAPDÁK, ATOMCSAPDÁK, LÉZERHŰTÉS Nobel-díj 1989: Hans Dehmelt (Washington), Wolfgang Paul (Bonn), Norman Ramsey (Harvard) [Rev. Mod. Phys. 1990 július] „IN VIVO” kísérletek egyes atomokkal (nem úgy mint a részecskefizikai őslénytan), több napos megfigyelés, sokaságátlag helyett időátlag spektroszkópia ütközési és Doppler hatások nélkül atomórák 3 dimenzióban nem megy, mert ΔΦ=0: csak nyeregpont lehet! + Védeni kell a kifolyástól

hengerszimmetrikus kvadrupól-tér lencse (fölötte CCD kamera) r z ~mm középen nyeregpont + stabilizálás: Penning ~ 1930: B(~1 Tesla): Lorentz-erő Paul ~ 1955:

Mozgás a Penning-csapdában (kvantumoptikai alkalmazások: Dehmelt 1975-től) E B ciklotron-mozgás: magnetron-mozgás: (v.ö.: kvantum Hall-effektus!) Mozgás a Paul-csapdában: Lassú rezgés egy „pszeudopotenciálban”; Ω frekvenciájú, zavaró „mikromozgás”

Összefonódott elektronállapotok kvantum-információ HŰTIK csapdázás adott tömegű ionra adott frekvenciasávban lineáris ioncsapda ~ kvadrupól-tömegspektrométer benne egy sor ion, csatolva kollektív rezgések által Összefonódott elektronállapotok kvantum-információ Az ioncsapdát Pa vákuumról indulva BETÖLTIK: semleges atomok párologtatása ionizálás elektronsugárral A csapdában marad 1-10 ion azután HŰTIK (a cél: hosszú benntartás, Doppler-mentes spektroszkópia) -8 10

az alapállapot detektálása, Cirac, Zoller 1995 az alapállapot detektálása, inicializálás QUBIT-MŰVELETEK

LÉZERHŰTÉS Doppler-hűtés Ω<ω Γ lézer v Irányított kvantumátmenetek alacsonyabb energiájú állapotok felé szabad atom: Doppler-hűtés csapdázott atom: oldalsáv-hűtés Elnyelési hatáskeresztmetszet Doppler-hűtés Γ Ω ω v ħK Ω<ω lézer pl. Na atomok: fotononként megáll ms alatt: a gyorsulás 600 m/s megállításához 200000 fotont kell elnyelni. A fotonok Γ gyakorisággal nyelődhetnek el, minden alkalommal spontán emisszió véletlen irányú visszalökéssel: a maradék hőmérséklet

„optikai melasz” (ragadós anyag) A kísérlet részletei: 6 lézer minden irányból fékez „optikai melasz” (ragadós anyag) 1997-es Nobel-díjak: Steven CHU William D. PHILLIPS Claude COHEN-TANNOUDJI Hőmérsékletmérés: a lézereket kikapcsolva, leképezni a szabadon eső atomcsomó szétterjedését Miért hatékonyabb a hűtés, mint várták? rezonancia-fluoreszcencia: a rezonáns fénnyel megvilágított atomok világítanak

Mágneses alnívók szerepe a hűtésben (Cohen-Tannoudji és Dalibard) a fény és az alnívók csatolását kiválasztási szabályok vezérlik a szembevilágító lézerek eredőjének polarizációja helyfüggő a fénynek kétféle hatása van: 1. eltolja a nívókat („light shift”, lásd az Atomoptikánál!) 2. megszabja az átmenetek irányát J=3/2 szintek M=+1/2 M=-1/2 J=1/2 Az erős átmenetek: csúcsról felfele, gödörbe lefele Az atom felmászik, leesik, felmászik, leesik, felmászik, leesik….. SZISZÜFUSZ HŰTÉS Sisyphus cooling 2μK-ig

ioncsapdában: OLDALSÁV-HŰTÉS a transzlációból kvantált rezgés lesz, A kiválasztási szabályok bonyolultabb felhasználása: sötét állapotok keresése, amelyek v=0 körül lecsatolódnak a fényről (Cohen-Tannoudji, Kasevich, Chu) ioncsapdában: OLDALSÁV-HŰTÉS a transzlációból kvantált rezgés lesz, az elektronszintek rezgési alnívókat kapnak 5 4 3 2 1 0 STIMULÁLT RAMAN: a rezonanciától elhangolva, azonnali visszapattanással 2 lézer kell hozzá, ~10 Ghz, de 100 Khz-re pontos! GHz („hordozó”): hiperfinom alszintek rezgés: ~10 MHz Az eredmény: „szinte tiszta rezgési alapállapot” kapható, a rezgési kvantumok száma < n > ~ 0.03 → kvantum-információ!

Egy híres (Nobel-díjas) alkalmazás: KVANTUM-UGRÁSOK (Dehmelt) háromszintű csapdázott-hűtött ionon „a polcra tett elektron” 1.lézer 2.lézer gyenge tiltott átmenet, de néha ez következik be! Ilyenkor a rezonancia-fluoreszcencia MEGSZAKAD, Erős megengedett dipólátmenet: intenzív rezonancia-fluoreszcencia de csak ha a 2. lézer pontosan eltalálta a tiltott nívót: EZ A LEGPONTOSABB SPEKTROSZKÓPIA, mert a tiltott nívók a LEGÉLESEBBEK! I

SEMLEGES ATOMOK CSAPDÁZÁSA erős Coulomb-erők nélkül gyengébben fog: előzetes lézerhűtés kell mágneses alnívóktól függő fénynyomással: MAGNETO-OPTIKAI CSAPDA MOT anti-Helmholtz tekercsek (rézcsövek) → kvadrupól mágnestér (középen átfordul, ott 0) + σ _ σ pl. J=1, M=-1,0,+1 CSAPDA +1 0 -1 Ahol az alapállapotú atom eléri a metszéspontot, ott szembekapja a megfelelően polarizált fotont + σ _ σ Ω : ΔM=+1 : ΔM= -1 J=M=0

MÁGNESES MIKROCSAPDA (atom chip): az esély a gyakorlati felhasználásra Zeeman-szintek B B=0 vonal „U” és „Z” konfiguráció chipen Hänsch et al, PRL 1999 bonyolult térkombinációk mágnesezett videoszalagon PRA 72, 031613(R) (2005)

http://arxiv.org/ Összefoglaló az ioncsapdákról: Leibfried, Blatt, Monroe, Wineland Rev. Mod. Phys. 75, 281 (2003) http://arxiv.org/