Rövid, frekvenciamodulált lézerimpulzus sorozat kölcsönhatása többnívós rendszerekkel

Hasonló dokumentumok
Hideg atomnyaláb előállítása magneto-optikai csapdából, és tulajdonságainak vizsgálata

Mézerek és lézerek. Berta Miklós SZE, Fizika és Kémia Tsz november 19.

Név... intenzitás abszorbancia moláris extinkciós. A Wien-féle eltolódási törvény szerint az abszolút fekete test maximális emisszióképességéhez

Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?)

Modern Fizika Labor. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: Az optikai pumpálás. A beadás dátuma: A mérést végezte:

Abszorpció, emlékeztetõ

Lézerek. Extreme Light Infrastructure. Készítette : Éles Bálint

Foton-visszhang alapú optikai kvantum-memóriák: koherens kontroll optikailag sűrű közegben

Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?)

Optika Gröller BMF Kandó MTI

Atomi rendszerek koherens manipulációja frekvenciamodulált lézerimpulzusokkal

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 5. mérés: Elektronspin rezonancia március 18.

A lézer alapjairól (az iskolában)

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Kutatóegyetemi Kiválósági Központ 1. Szuperlézer alprogram: lézerek fejlesztése, alkalmazásai felkészülés az ELI-re Dr. Varjú Katalin egyetemi docens

Rezgés, Hullámok. Rezgés, oszcilláció. Harmonikus rezgő mozgás jellemzői

Koherens lézerspektroszkópia adalékolt optikai egykristályokban

Optika gyakorlat 6. Interferencia. I = u 2 = u 1 + u I 2 cos( Φ)

Concursul Preolimpic de Fizică România - Ungaria - Moldova Ediţia a XVIII-a, Cluj-Napoca Proba teoretică, 1 iunie II. Feladat: Lézer (10 pont)

Modern Fizika Labor. 12. Infravörös spektroszkópia. Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 04. A mérés száma és címe: Értékelés:

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

A LÉZERSUGÁRZÁS ALAPVETŐ ISMÉRVEI SPONTÁN VS. INDUKÁLT EMISSZIÓ A FÉNYERŐSÍTÉS FELTÉTELE A POPULÁCIÓ INVERZIÓ FELTÉTELE

Lézerek. A lézerműködés feltételei. Lézerek osztályozása. Folytonos lézerek (He-Ne) Impulzus üzemű lézerek (Nd-YAG, Ti:Sa) Ultrarövid impulzusok

Atomok lézeres hőtése, csapdázása, Bose-Einstein kondenzáció

Anyagi tulajdonságok meghatározása spektrálisan

11. Egy Y alakú gumikötél egyik ága 20 cm, másik ága 50 cm. A két ág végeit azonos, f = 4 Hz

Távolságmérés hullámokkal. Sarkadi Tamás

A II. kategória Fizika OKTV mérési feladatainak megoldása

Modern Fizika Labor. 5. ESR (Elektronspin rezonancia) Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 25. A mérés száma és címe: Értékelés:

Kvantumszimulátorok. Szirmai Gergely MTA SZFKI. Graphics: Harald Ritsch / Rainer Blatt, IQOQI

A femtoszekundumos lézerektől az attoszekundumos fizikáig

Mechanikai hullámok. Hullámhegyek és hullámvölgyek alakulnak ki.

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban 4/11/2016. A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Modern Fizika Labor Fizika BSC

Speciális fluoreszcencia spektroszkópiai módszerek


Hullámmozgás. Mechanikai hullámok A hang és jellemzői A fény hullámtermészete

Az elektromágneses hullámok

Színképelemzés. Romsics Imre április 11.

Kérdések Fizika112. Mozgás leírása gyorsuló koordinátarendszerben, folyadékok mechanikája, hullámok, termodinamika, elektrosztatika

Hullámok tesztek. 3. Melyik állítás nem igaz a mechanikai hullámok körében?

Mechanikai rezgések Ismétlő kérdések és feladatok Kérdések

Modern Fizika Labor. 17. Folyadékkristályok

A nehézfémek növényi vízháztartásra gyakorolt hatásának vizsgálata Mágneses Rezonancia készülékkel. Készítette: Jakusch Pál Környezettudós

2.4. ábra Alkalmazási területek

2, = 5221 K (7.2)

MÁGNESES TÉR, INDUKCIÓ

Munkagázok hatása a hegesztési technológiára és a hegesztési kötésre a CO 2 és a szilárdtest lézersugaras hegesztéseknél

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

Akusztikai tervezés a geometriai akusztika módszereivel

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

Abszorpciós fotometria

Biofizika. Sugárzások. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? Biológiai jelenségek fizikai leírása/értelmezése

Modern fizika laboratórium

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 13. mérés: Molekulamodellezés PC-n április 29.

Mérés: Millikan olajcsepp-kísérlete

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Rezgések és hullámok

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban A fény; Abszorpciós spektroszkópia

A fény mint elektromágneses hullám és mint fényrészecske

-2σ. 1. A végtelen kiterjedésű +σ és 2σ felületi töltéssűrűségű síklapok terében az ábrának megfelelően egy dipól helyezkedik el.

Hullámok, hanghullámok

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 1. (b) Rugalmas hullámok. Utolsó módosítás: szeptember 28. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

17. Diffúzió vizsgálata

Fluoreszcencia módszerek (Kioltás, Anizotrópia, FRET) Modern Biofizikai Kutatási Módszerek

Lumineszcencia. Lumineszcencia. mindenütt. Lumineszcencia mindenütt. Lumineszcencia mindenütt. Alapjai, tulajdonságai, mérése. Kellermayer Miklós

Modern Fizika Labor. 2. Az elemi töltés meghatározása. Fizika BSc. A mérés dátuma: nov. 29. A mérés száma és címe: Értékelés:

Elektronspin rezonancia

Az úszás biomechanikája

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (a) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: november 15. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Dr. Berta Miklós. Széchenyi István Egyetem. Dr. Berta Miklós: Gravitációs hullámok / 12

Abszorpciós spektrumvonalak alakja. Vonalak eredete (ld. előző óra)

Modern Fizika Labor. 2. Elemi töltés meghatározása

Optika gyakorlat 2. Geometriai optika: planparalel lemez, prizma, hullámvezető

Nanoelektronikai eszközök III.

Abszorpciós spektrometria összefoglaló

Munka, energia Munkatétel, a mechanikai energia megmaradása

CÉLKOORDINÁTOROK alkalmazástechnikája CÉLKOORDINÁTOROK FELÉPÍTÉSI ELVE

2010. január 31-én zárult OTKA pályázat zárójelentése: K62441 Dr. Mihály György

Univerzalitási osztályok nemegyensúlyi rendszerekben, Ódor Géza

Transzformátor rezgés mérés. A BME Villamos Energetika Tanszéken

Abszorpciós fotometria

Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?)

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása.

Spektrográf elvi felépítése. B: maszk. A: távcső. Ø maszk. Rés Itt lencse, de általában komplex tükörrendszer

A TÖMEGSPEKTROMETRIA ALAPJAI

Modern Fizika Labor Fizika BSC

Modern fizika vegyes tesztek

Optika gyakorlat 5. Gyakorló feladatok

A projekt eredetileg kért időtartama: 2002 február december 31. Az időtartam meghosszabbításra került december 31-ig.

Modern Fizika Laboratórium Fizika és Matematika BSc 14. Holográfia

7. L = 100 mh és r s = 50 Ω tekercset 12 V-os egyenfeszültségű áramkörre kapcsolunk. Mennyi idő alatt éri el az áram az állandósult értékének 63 %-át?

A hőmérsékleti sugárzás

A kísérlet, mérés megnevezése célkitűzései: Váltakozó áramú körök vizsgálata, induktív ellenállás mérése, induktivitás értelmezése.

Rövid ismertető. Modern mikroszkópiai módszerek. A mikroszkóp. A mikroszkóp. Az optikai mikroszkópia áttekintése

Kromatikus diszperzió mérése

Termodinamika (Hőtan)

Átírás:

Rövid, frekvenciamodulált lézerimpulzus sorozat kölcsönhatása többnívós rendszerekkel A modern tudományban és technológiában, mint például a kvantumoptikában, kvantum számítógépek területén, atom-interferometriában, nanotechnológiában, a lézeres hűtés és csapdázás esetében, a semleges atomok és molekulák belső- és transzlációs kvantumállapotainak a manipulálásában a lézersugárzásnak széleskörű és ígéretes alkalmazási lehetőségei vannak. Ezek között azok a módszerek, amelyek a fény mechanikai hatását indukált folyamatok, és nem a gerjesztett állapot spontán bomlása során fejtik ki, két okból különösen érdekesek. Egyrészt lehetségessé válik a spontán folyamatok telítődése miatti határnál nagyobb erő fellépése, másrészt megőrizhető segítségükkel az atomi hullámcsomag koherenciája. Ennek a pályázatnak a keretében soknívós atomok és frekvencia-modulált, csörpölt impulzusok kölcsönhatását tanulmányoztuk. A fő célkitűzésünk olyan új, effektív módszerek kidolgozása volt, amelyekben lézerfény impulzusok koherensen adnak át mechanikai impulzust semleges atomoknak. Ezeket a módszereket kísérletileg alkalmaztuk hűtött és magneto-optikai csapdába fogott rubídium atomok mozgatására anélkül, hogy közben fűtöttük volna az atomi sokaságot. Ahhoz, hogy soknívós atomi rendszerek transzlációs állapotainak a koherens szabályozására effektív módszereket dolgozzunk ki, először az atomi populációk lézersugárzással történő koherens szabályozását és az állapotok koherenciáját kell tanulmányoznunk. Első lépésként rövid, csörpölt lézerimpulzusok és Rb 85 atomok koherens kölcsönhatását analizáltuk. Ezeknek a vizsgálatoknak a célja olyan effektív, egyszerű és robusztus módszer kidolgozása volt, amelyben a 85 Rb atom hiperfinom elektronikus alapállapotaiból a populáció átvihető az atom hiperfinom gerjesztett állapotainak a sokaságára, majd vissza az alapállapotokra csörpölt lézerimpulzus párokkal való kölcsönhatással. Mivel el akartuk kerülni az atomok fűtését, amit a gerjesztett állapotok spontán bomlása okozhat, olyan (nem átlapoló) impulzuspárokkal dolgoztunk, amelyeknek a hossza, és a párokat formáló impulzusok közötti időtartam sokkal rövidebb, mint az atomi rendszer élettartama. Ennek a módszernek a korábban ismert eljárásokhoz képest az az előnye, hogy nem kell az atomokat először valamelyik alapállapotba pumpálni, mint például a stimulált Raman adiabatikus átmeneten (STIRAP) alapuló folyamatok esetében. Az atom csörpölt lézerimpulzusokkal történő effektív gerjesztése és legerjesztése csaknem érzéketlen folyamat az alapállapotok közötti kezdeti populáció eloszlásra. A kölcsönhatást viszonylag rövid és viszonylag hosszú impulzusok tartományában vizsgáltuk. A rövid impulzusok esetében az impulzushoz tartozó frekvencialimitált sávszélesség a hiperfinom nívók távolságának nagyságrendjébe esik vagy meghaladja azt, ezáltal összekeveri a nívókat. Ezt az esetet szélessávú pumpálásnak nevezzük. Ezzel ellentétben a rubídium atom két hiperfinom alapállapota fel van bontva a relatív hosszú impulzusok esetében, amikor a frekvencialimitált sávszélesség viszonylag keskeny. Ezt az esetet keskenysávú pumpálásnak nevezzük. [1] Megmutattuk, hogy a két alapállapotú hiperfinom nívó és a gerjesztett hiperfinom nívók sokasága között effektív populációátvitel valósítható meg csörpölt lézerimpulzusokkal a pumpálás bármelyik tartományában, beleértve a keskenysávú és szélessávú pumpálás esetét is, és akkor is, ha a lézerimpulzusok elég hosszúak ahhoz, hogy minden működő hiperfinom nívó, beleértve az alap- és gerjesztett nívókat is, fel van oldva.

A szélessávú pumpálás esetében, amikor a lézerimpulzus frekvencia sávszélessége meghaladja az alapállapotok közötti frekvencia különbségét, megmutattuk, hogy a populációátvitel az egyes gerjesztett nívókra függ a két alapállapot közötti kezdeti koherenciától. Például a destruktív kvantuminterferencia elronthatja az atomi populációátvitelt azokra a hiperfinom nívókra, amelyekről mindkét alapállapotra van átmenet. Ezzel szemben a populációátvitel növekszik ezekre a nívókra konstruktív interferencia esetében. Fontos azonban megjegyezni, hogy a két alapállapot kezdeti koherenciájától függetlenül van populációátvitel a két alapállapotról a gerjesztett állapotok sokaságára és vissza az alapállapotokra csörpölt impulzusok hatására. Megmutattuk azt is, hogy effektív populációátvitel történik a keskenysávú pumpálás hatására akkor is, amikor az alapállapotú nívók fel vannak oldva, de a gerjesztett nívók nem. Arra az esetre, amikor a csörpölt impulzusok elég hosszúak ahhoz, hogy minden hiperfinom nívó fel van oldva, a felöltöztetett állapotok analízisét és a Schrödinger egyenlet numerikus szimulációját végeztük el, amellyel megmutattuk, hogy populációátmenet történik a két alapállapotból a gerjesztett állapotokra és vissza az alapállapotokra, amikor a kölcsönhatásra az adiabatikus populációátvitel feltételei teljesülnek [1,2]. A Mathematica program alkalmazásával a 6 db működő átmenet sűrűségmátrix elemeire felírt Bloch egyenlet numerikus megoldásait vizsgáltuk, [1,2]. Az impulzus elég magas Rabi-frekvenciája esetén, valamint az eredetileg alapállapotban lévő 85 Rb atomok és a csörpölt lézer-impulzusok közötti kölcsönhatás miatt, az általunk végzett analízis alapján az következik, hogy az összes atom a gerjesztett állapotok között oszlik el, és az alapállapotban egy atom sem marad. Egy második, az atom gerjesztett állapotának idejénél sokkal rövidebb késéssel az atomra ható lézer impulzus visszaviszi az összes atomot az alapállapotába. Ezt hatékonyan lehet felhasználni a rubídiumhoz hasonló atomokból álló nyalábok koherens manipulációjára, pl: az atom az egymással ellenkező irányba haladó csörpölt lézerimpulzus párból a kölcsönhatás után 2ħk p nak megfelelő mechanikai impulzust (a lézer impulzus k p hullámszámmal rendelkezik) nyel el. Az atomoknak a gerjesztési illetve relaxációs ciklusát megismételve egymással ellenkező irányú lézer-impulzus sorozattal, lehetővé válik a lézertérből mechanikai impulzust effektíven átadni a Rb atomoknak, és ezzel hatékonyan manipulálni az atomnyalábot. Ennek a rendszernek egy fontos előnye, hogy viszonylag nagy mechanikai momentumot lehet átadni a lézertérből elegendően sok kölcsönható lézerimpulzus segítségével az atomoknak. A lézerimpulzusok számát a lézerforrás impulzusainak ismétlődési frekvenciája és az atomok kölcsönhatási térfogaton való áthaladásának ideje határozza meg. Ahhoz, hogy analizáljuk azokat a hatásokat, amelyek a Raman koherencia fázisát befolyásolják (Ld. [1]-es hivatkozás) a rubídium atom két hiperfinom alapnívója között, részletesebb analízist végeztünk egy egyszerűbb, Λ alakú nívószerkezettel rendelkező háromnívós modellel. (Ld. [3]-as hivatkozás). Ezt az analízist az u.n. felöltöztetett állapotok leírásmódban és a Bloch egyenletek numerikus szimulációjával végeztük. A kölcsönhatást két tartományban vizsgáltuk: - A transzformáció-limitált (csörp nélküli) lézer impulzus burkológörbéjének a sávszélessége keskenyebb, mint a két alapállapot közötti frekvencia távolsága (ez a keskenysávú pumpálás esete); - Ez a sávszélesség nagyobb, mint a frekvencia különbség az alapállapotok között (szélessávú pumpálás esete). A keskenysávú pumpálás esetében találtunk egy újfajta módszert a populáció átvitelre egyetlen frekvencia modulált lézer impulzussal a Λ alakú háromnívós rendszer két metastabil (alap) nívója között oly módon, hogy a populáció átvitel közben az atom nem gerjesztődik jelentős mértékben. A folyamat fizikájának a lényege, hogy az alapállapotok u.n. sötét 2

szuperpozícióját állítjuk elő a lézerimpulzussal, megfelelően nagy lézer csúcsintenzitással. Ez az effektus játszódik le, amikor a lézer impulzus csúcsértékéhez tartozó Rabi-frekvencia nagyobb, mint a Λ atom alapnívói közötti frekvencia különbség. A frekvencia csörp ideje alatt a lézer impulzusnak először azzal az átmenettel kell rezonanciába kerülnie, amelyik arról a nívóról indul, amelyiken a kiinduláskor az atomok elhelyezkednek, és ezután a második, kezdetben betöltetlen átmenettel. Mivel az atom gerjesztése elhanyagolhatóan kicsi a keskenysávú frekvencia-csörpölt impulzussal való kölcsönhatás közben, az ilyen impulzus abszorpció nélkül haladhat keresztül a Λ atomok sokaságán. A numerikus számolások (Matlab program használatával) azt mutatják, hogy a frekvencia csörpölt impulzusok viszonylag hosszú távolságon terjedhetnek az atomok sokaságában anélkül, hogy az impulzus alakja változna. A Rb-atom Λ -atomnak feleltethető meg két alapállapottal, ill. a gerjesztett hiperfinom nívók egyikével. Analizáltuk a frekvenciamodulált lézerimpulzus terjedését ilyen Λ -atomok együttesén át. Mivel az impulzus nem gerjeszti az atomokat, lehetséges a lézerimpulzus veszteségmentes terjedése. A terjedés numerikus szimulációjából azt kaptuk, hogy a terjedés e módja elegendően nagy intenzitású frekvenciamodulált lézerimpulzusok esetén válik lehetővé. A folyamat fizikájának lényege, hogy a lézerimpulzus vezető frontja a Λ-atom két alapállapotának sötét szuperpozícióját állítja elő, melynek következtében az atom kölcsönhatása a lézerimpulzussal megszűnik. Így az impulzus nagy távolságokat tehet meg energiaveszteség nélkül. Az effektust elektromágneses önindukált átlátszóságnak neveztük el, (Ld. [4]-es hivatkozás). A rendszer viselkedése alapvetően különböző a fentiektől a szélessávú pumpálás esetében: A lézer impulzus szétválasztja az alapállapotok fényes és sötét szuperpozíciójához tartozó populációkat azáltal, hogy a fényes szuperpozícióhoz tartozó populációkat átviszi a gerjesztett állapotba. Például, ha az atom kezdetben az egyik alapállapotban van, és az átmeneti dipólmomentum egyenlő a két alapállapotra, az atomok fele gerjesztett állapotba kerül, a másik fele egyenlő arányban oszlik meg a két alapállapot között. A következő, az előzővel megegyező tulajdonságú lézerimpulzus az összes atomot abban az alapállapotban gyűjti össze, amelyik kezdetben üres volt. Az eredmény tehát az, hogy két egymást követő lézer impulzus a Λ - atom teljes populációját átviszi az egyik alapállapotból a másikba. A szélessávú pumpálás esetében a kölcsönhatás eredménye attól függ, hogy milyen volt a Raman koherencia kezdeti fázisa a két alapállapot között. Ebből az következik, hogy atomi nyalábosztók és eltérítők készíthetőek frekvencia csörpölt lézerimpulzusok sorozatával való kölcsönhatás alapján, attól függően, hogy milyen az alapállapotok közötti Raman koherencia, (Ld. [3]-as hivatkozás. Az elméletünk eredményeinek ellenőrzéséhez kísérleteket végeztünk ( lásd [1-3]-as hivatkozást), 85 Rb és 87 Rb-atomok viselkedését vizsgáltuk lineárisan csörpölt lézerimpulzusok által keltett térben. A rubídium atomok 5S 1/2-5P 3/2 hiperfinom energiaszint rendszere volt a minta, amin tanulmányoztuk a kvantumállapotokat. Mivel a vizsgálataink fő célja csörpölt impulzusokkal való kölcsönhatás alapján atomi nyalábeltérítő és nyalábosztó készítése, olyan feltételekre alapozott modellt kerestünk, ahol a lehető legnagyobb mechanikai impulzust lehet átadni az atomoknak egymással szemben haladó lézer-impulzus párral [2,5]. Megjegyezzük, hogy a két ellenkező irányban haladó és az atomi közegben nem átlapoló lézer impulzus által átadható legnagyobb impulzus értéke 2ћk, (egy foton impulzusának a kétszerese, ahol k a lézerfény hullámszáma), ez akkor következik be, ha az egyik lézerimpulzus teljes mértékben gerjeszti az atomokat, a szemben haladó pedig legerjeszti ugyanazokat az atomokat. Ld. [1]- es hivatkozás. Laboratóriumunkban 85 Rb atomokat magneto-optikai módszerrel csapdáztunk. A csapda optikai elrendezése látható az 1. ábrán, kiegészítve az atomok manipulációjára használt további lézerrel. A keskenysávú, külső rezonátoros félvezető lézer fényét teleszkóppal és kompenzáló prizmapárral 1 cm átmérőjű, kör keresztmetszetű sugárrá formáltuk, majd nyalábosztó tükrökkel három, kb. azonos intenzitású nyalábra osztottuk. A lézer 3

teljesítménye 20 mw, 780 nm hullámhosszúság környezetében széles frekvenciatartományban hangolható. Ezeket a nyalábokat három, egymásra merőleges térkoordináta irányából arra a pontra irányítottuk, ahol elektro-mágneses tekerccsel anti- Helmholz-konfigurációban kialakított kvadrupól mágneses tér zéró térerősségű helye van. A mágneses tér gradiense kb. 30 Gauss/cm. Ezt a pontot a vákuumrendszerben az atomsugár iránya is keresztezi. Mindhárom lézernyaláb a kereszteződés után egy-egy tükörrel önmagába visszafordul. A lézernyalábokat λ/4-es retardáló lemezekkel +, - polarizációjú párokká formáltuk. A lézer frekvenciáját stabilizáltuk az F=3 F =4 átmenet rezonanciája alatt néhány természetes sávszélességnyi frekvenciára, az atomsugarat a merőlegestől néhány fokkal eltérő szöggel keresztező, a lézerből kicsatolt gyenge nyaláb fluoreszcencia fényének felhasználásával. Ennek a stabilizáló nyalábnak az atomsugár tengelyével bezárt szöge határozza meg, hogy mennyivel hangoltuk az átmenet alá a lézer fényét, a mozgó atomokon történő Doppler-eltolódást figyelembe véve. Az alkáli atomok hiperfinom spektrumszerkezete miatt a kísérletekben a csapdázó lézer mellett még egy lézerre szükség van. Az atomok ugyanis a gerjesztett állapotból az alkáli atomokra jellemző mindkét alapnívóra le tudnak bomlani, emiatt hamar kikerülnek a kölcsönhatásból, vissza kell pumpálni őket a kiinduló nívóra. A 85 Rb esetében az optikai pumpálást végző lézernek a frekvenciája 3 GHz-cel magasabb a hűtő lézer frekvenciájánál. A visszapumpáló lézer fényét hozzákevertük a csapdázó nyalábok egyikéhez. A kialakult csapda fluoreszcencia fényét leképeztük egy képerősítőre, ennek kimeneti oldalát digitális CCD kamerával figyeltük meg, jelét PC vezérléssel elektronikusan rögzítettük és feldolgoztuk. A csapdázott atomok kb. 1mm átmérőjű gömb alakú térfogatban gyűltek össze. A fluoreszcencia jel kalibrálásából számolva kb. 10 μk hőmérsékletű, 10 7 darab atomot tudtunk összegyűjteni, 500 ms csapda élettartammal. Az így nyert csapdázott atomokat világítottuk meg a kísérleti munka során a csörpölt impulzusokkal, és az indítható kamera segítségével rögzítettük a mérések során az atomfelhő elmozdulását a lézerimpulzusok hatására. Az így rögzített adatok feldolgozása után megkaptuk az elmozdulás mértékét egyirányú megvilágítás és egymással szemben haladó lézerimpulzus pár hatására, a lézerimpulzusok paramétereinek a függvényében, amelyekre szintén digitális adatgyűjtő és feldolgozó rendszert fejlesztettünk ki. 1.ábra: Magneto-optikai csapda kísérleti összeállítása 4

A kölcsönhatást létrehozó, egymással szemben haladó, frekvenciamodulált impulzuspárokat amplitúdó- és frekvenciamodulált lézerdióda fényéből a rubídium atom átmenetén maximális áteresztésű, rezonanciára hangolt Fabry-Perot interferométerrel alakítottuk ki. Kísérleti berendezésünk segítségével vizsgáltuk, hogy az egymással szemben haladó impulzuspárok különböző méretű időbeli átfedése, a frekvencia-csörp sebessége hogyan befolyásolja az impulzusátadás hatásfokát, mekkora átfedés és csörp-sebesség optimális, figyelembe véve a kísérleti körülményeket ahhoz, hogy az atomoknak a legnagyobb mértékű impulzust lehessen átadni. Az elméleti tárgyalásban figyelembe vettük a gerjesztett rubídium atomoknak a lézer impulzus hatása alatt bekövetkező spontán relaxációját, (az élettartam 27 nsec, az impulzusok hossza a kísérleti körülményeink között 5 nsec), valamint a kísérletben alkalmazott másik, az ú.n. visszapumpáló lézer hatását, amelyik arra a célra szolgál, hogy visszajuttassa azokat az atomokat, amelyek spontán relaxációval megszöknek a vizsgált átmenetről a másik alapnívóra. Így a leírás messzemenőkig figyelembe veszi a valós kísérleti viszonyokat, Ld. [2,5] hivatkozás. A frekvencia modulált lézerimpulzusok rubídium atomokkal való kölcsönhatásának numerikus modellezése alapján megállapítottuk, hogy a maximális mechanikai impulzusátadás időben átlapoló impulzusok esetében akkor következik be, ha a frekvencia változása elég gyors ahhoz, de még az adiabatikus tartományon belül marad, hogy az első impulzus az atomot teljes mértékben gerjeszteni tudja még azelőtt, hogy az atom legerjesztését végző, szembehaladó lézerimpulzus elérné az atomot [2,5]. A Rb-atomok lézerimpulzusokkal való kölcsönhatási idejének megnövelése érdekében magneto-optikai csapdát (MOT) használtunk, [2,5] mellyel összegyűjtöttük a MOT potenciálvölgyének mélységénél kisebb mozgási energiával rendelkező atomokat. Ennek segítségével sikerült nyalábeltérítőt készítenünk a Rb-nyaláb manipulálására, illetve csapdázására, valamint az atomfelhő gyorsítására és hűtésére [2,5]. Megmértük a MOT-ban összegyűjtött 85 Rb atomoknak az egymással ellentétes irányban terjedő, frekvenciamodulált lézerimpulzusok sorozatainak hatására bekövetkezett térbeli elmozdulását, a sorozat hosszának és a frekvencia csörp-sebesség függvényében. A mérési eredményeket összevetettük a számítógépes szimuláció eredményeivel, ld. [5]. A kölcsönhatás során az 5 2 S 1/2 F=3 alap- és az 5 2 P 3/2 F =2,3,4 gerjesztett nívók között felváltva történik adiabatikus gerjesztés és legerjesztés. A 85 Rb-atomok elmozdulásának kiszámítása a MOT-ban fellépő súrlódási és visszatérítő erők figyelembevételével történik. Az ellentétes irányba haladó impulzus-sorozatok alkalmazása tette lehetővé számunkra az előzőleg a MOT-ban csapdázott, illetve lehűtött Rb atomfelhő koherens gyorsítását. Az ilyen gyorsítás egyik fontos specialitása, hogy az atomfelhő a folyamat során nem melegszik fel számottevően. Ilyen rendszereket lehet felhasználni intenzív, előre meghatározott transzlációs sebességű, u.n. koherens mono-kinetikus atomforrás gyanánt. Míg a fentebb tárgyalt adiabatikus követés esetén a mechanikai impulzus, amelyet az egymással ellentétes irányokban terjedő impulzuspár az atomnak átad 2hk, az impulzusátadás hatékonysága igen alacsonynak tűnik, ha az átadott impulzus mértékét összehasonlítjuk a nagy intenzitású impulzuspár által hordozott mechanikai impulzus nagyságával. Felmerül a kérdés, hogy lehet-e és hogyan lehet ezt a hatékonyságot növelni, azaz egy szembehaladó fényimpulzus párból a 2ħk nál több mechanikus impulzust átadni. Az egyik felmerülő lehetőség arra, hogy az átadott impulzus nagyobb legyen, mint 2ħk, ha az egymással szembe haladó csörpölt impulzuspár tagjai részben átfedik egymást. Ez szerepel a [6]-os hivatkozásban ismertetett számításainkban: egy kétnívós atom nyerhet 2nħk impulzust, ahol n = 1,2 a lézerimpulzusok intenzitásának és a köztük levő késési időnek a függvényében. Az ilyen kölcsönhatások fontos specialitása, hogy a lézertér diszperziós hatása az atomok sebességére sokkal kisebbnek mutatkozik az egymást részben átfedő impulzusok esetében, mint az átfedés nélküli esetben. Az atom a lézer-párral történő kölcsönhatás után az alapállapotában marad, ami azt bizonyítja, hogy a gerjesztett állapot spontán bomlása által okozott koherencia romlásra kevéssé érzékeny a folyamat. 5

Az elméletet igazolandó, megmértük az előzőleg lehűtött ill. MOT csapdába zárt atomfelhő elmozdulását egy kb. 5000 impulzuspárból álló, egymással ellentétes irányba haladó csörpölt impulzus sorozattal való kölcsönhatás után. A kísérleti elrendezésünkben, az ellentétes irányban terjedő lézerimpulzusok a MOT-nak azon részén, ahol a Rb-atomok találhatók, nem különültek el teljesen, hanem részben átlapolták egymást. Míg két különálló (nem átlapolódó) lézerimpulzus az atomnak maximálisan 2ħk mechanikai impulzust adhat át, egészen más a helyzet, ha az ellentétesen terjedő impulzusok átlapolódnak és állóhullám jön létre. Ekkor ugyanis az átlapolódó, egymással ellentétes irányban terjedő lézerimpulzusok által létrehozott állóhullámban többfotonos virtuális abszorpciós és stimulált emissziós folyamatok lépnek fel, melyek a 2ħk-t jelentősen meghaladó mechanikai impulzustranszfert eredményezhetnek [6,7]. Az atomfelhő kísérletileg megfigyelt elmozdulása jó egyezést mutatott az elméleti előjelzéssel a viszonylag lassú, és a viszonylag gyors frekvenciaváltozások esetében is. A két tartomány között a kísérleti elmozdulás kisebbnek mutatkozott az elméletileg előrejelzettnél. Ennek oka valószínűleg a sok hiperfinom energianívó szerepe a Rb atomban, amelyet a kétnívós atomot feltételező elmélet nem vett figyelembe [6]. Ez az eredmény igen fontos nagy eltérítési és nyalábosztási szögek eléréséhez atomi nyalábosztókban és eltérítőkben is. A kísérleti eredmények arról tanúskodnak, hogy a lézerimpulzus csúcsintenzitásának és a modulációs (csörp) sebességnek léteznek optimális értékei, melyeknél a Rb-atomok elmozdulása maximális. Hivatkozások [1]. G.P. Djotyan, J.S. Bakos, G. Demeter, P.N. Ignacz, M.A. Kedves, Zs. Sörlei, J. Szigeti, Z.L. Toth, Coherent population transfer in Rb atoms by frequency-chirped laser pulses, Phys. Rev. A, 68 (5): Art. No. 053409 (2003). [2]. G.P. Djotyan, J.S. Bakos, G. Demeter, P.N. Ignácz, M.A. Kedves, Zs. Sörlei, J. Szigeti and Z.L. Tóth, Coherent interaction of frequency-modulated laser pulses with Rb atoms. Acta Phys. Hung. B 20/3 4 167 176 (2004). [3]. G.P. Djotyan, J.S. Bakos, Zs. Sörlei, Coherent control of atomic quantum states by single frequency-chirped laser pulses Phys.Rev.A, 70, 063406 (2004). [4]. G.P. Djotyan, J.S. Bakos, G. Demeter, Zs. Sörlei, D. Dzsotjan and J. Szigeti. Coherent Control of Quantum States By Single Frequency-Chirped Laser Pulses and Electromagnetically Self-Induced Transparency Proc.of Int. Conf. CLEO/EQEC, Munchen, June 12-17,2005. [5]. J.S. Bakos, G.P. Djotyan, P.N. Ignácz, M. Á Kedves, M. Serényi, Zs. Sörlei, J. Szigeti and Z. Tóth: Interaction of frequency modulated light pulses with rubidium atoms in a magneto-optical trap, Eur. Phys. J. D v. 39, 59-66 (2006). [6]. G. Demeter, G. P. Djotyan, Zs. Sörlei, and J. S. Bakos. Mechanical effect of retroreflected frequency-chirped laser pulses on two-level atoms. Phys. Rev. A 74, 013401 (2006). [7]. J.S. Bakos, G.P. Djotyan, G. Demeter, P.N. Ignácz, M. Á Kedves, Zs. Sörlei, J. Szigeti: Manipulation of cold Rb atoms by counter-propagating partially overlapping frequencychirped laser pulses. Technical Digest of FRISNO-9 conference, Les Houches, France, 11-16 February 2007, p. Mo-P8. 85 Rb 6