Кіріспе

Бейтарап атомдарды тұтқындау және суытуға арналған аппарат. Атомдық, молекулалық және оптикалық физикада магнитооптикалық тұзақ (MOT) – лазерлік салқындату және кеңістікте өзгеретін магнит өрісін пайдаланып, суық, бейтарап атомдардың үлгілерін жасауға мүмкіндік беретін аппарат. MOT-та қол жеткізілетін температура атом түріне байланысты бірнеше микрокельвинге дейін төмендеуі мүмкін, бұл фотонның импульсі шегінен екі-үш есе төмен. Дегенмен, шешілмеген гиперфине құрылымы бар атомдар үшін, мысалы, ⁷Li, MOT-та қол жеткізілетін температура Доплер салқындату шегінен жоғары болады. MOT – әлсіз, төрт полюсті, кеңістікте өзгеретін магнит өрісі мен алты дөңгелек поляризацияланған, қызыл ығысқан оптикалық моласса сәулелерінің қиылысынан құралады. Атомдар тұзақтың ортасындағы өріс нөлдік нүктесінен (орамдардың арасындағы ортасынан) алыстағанда, кеңістікте өзгеретін Земан жылғасы атомдық өтпелі күйді резонансқа келтіреді, бұл атомдарды тұзақтың ортасына қарай итеретін шашырау күшін тудырады. Сондықтан MOT атомдарды тұтқындайды, ал бұл күш атомдардың қозғалысының бағытына қарама-қарсы импульс "серпілісін" алатын фотонның шашырауынан туындағандықтан, ол атомдарды да баяулатады (яғни салқындатады), орташа есеппен, қайталама сіңіру және спонтанды эмиссия циклдарында. Осылайша, MOT бастапқы жылдамдығы секундына жүздеген метрден секундына он сантиметрге дейін (қайтадан атом түріне байланысты) болатын атомдарды тұтқындап, салқындата алады. Зарядталған бөлшектерді Пэннинг тұзағы немесе Пол тұзағы арқылы электр және магнит өрістерінің комбинациясын пайдаланып тұтқындауға болады, бірақ бұл тұзақтар бейтарап атомдар үшін тиімді емес.

Допплерлік салқындату

Фотонның импульсі (мұндағы – қысқартылған Планк тұрақтысы, ал – фотонның толқын саны) арқылы беріледі, және ол барлық атом-фотондық өзара әрекеттесулерде сақталады. Сондықтан, атом фотонды сіңірген кезде, сіңіру алдында фотон бағытында импульс беріледі. Лазерлік сәулені резонанстық жиіліктен төмен жиілікке өзгерту арқылы (бұл «қызыл детунинг» деп те аталады), лазерлік жарық тек қана Допплер эффектісі арқылы жиілігі жоғарылаған кезде сіңіріледі, яғни атом лазер көзіне қарай қозғалғанда. Бұл атом лазер көзіне қарай қозғалғанда оған үйкеліс күшін қолданады. Салқындатудың барлық бағытта жүзеге асуы үшін атом осы үйкеліс күшін үш Картезиан осінің барлығы бойынша сезінуі керек; бұл ең оңайынан үш өзара перпендикуляр лазерлік сәулемен жарықтандыру арқылы жүзеге асырылады, содан кейін олар сол бағытта кері шағылыстырылады.

Магниттік тұтқыр

Магниттік тұтқырлау лазерлік салқындатуға қажетті қызылға қарай ығысқан оптикалық өріске кеңістікте өзгеретін магниттік квадрупольдік өріс қосу арқылы құрылады. Бұл магниттік сезімтал mf деңгейлерінде Земан жылжуын тудырады, ол тұтқырлау ортасынан радиалды қашықтықпен бірге артады. Осының салдарынан атом тұтқырлау ортасынан алыстағанда атомдық резонанс лазерлік сәуленің жиілігіне жақындайды және атомға тұтқырлау ортасына қарай фотонмен соққы беру ықтималдығы жоғарылайды. Соққының бағыты жарықтың поляризациясымен анықталады, ол оң немесе сол жаққа бұрылған дөңгелек поляризация болып табылады, бұл әртүрлі mf деңгейлерімен әртүрлі өзара әрекеттесуді қамтамасыз етеді. Дұрыс поляризациялар қолданылады, сонда фотондар тұтқырлау ортасына қарай қозғалғанда, дұрыс ығысқан атомдық энергия деңгейімен резонанста болып, атомды әрқашан ортаға қарай итереді.

Магниттік-оптикалық тұтқындау үшін қажетті атомдық құрылым

Бөлме температурасындағы термиялық атомның импульсі бір фотоннан мыңдаған есе артық болғандықтан, атомды салқындату көптеген жұту және спонтанды эмиссия циклдерін қамтиды, мұнда атом әр цикл сайын ħk импульсына дейін жоғалтады. Осы себепті, атомды лазерлік салқындату үшін, оның жабық оптикалық цикл деп аталатын нақты энергия деңгейі құрылымы болуы керек, онда қоздырудан кейінгі спонтанды эмиссия оқиғасынан соң атом әрқашан бастапқы күйіне қайтарылады. Мысалы, рубидий-85 мемлекет пен мемлекет арасында жабық оптикалық циклге ие. Атом қозған күйде болғанда, оның паритетті сақтамайтын кез келген күйге ыдырауына тыйым салынады, сондай-ақ бұрыштық импульстың -2 өзгеруін қажет ететін күйге ыдырауына тыйым салынады, мұндай өзгерісті бір фотон қамтамасыз ете алмайды. Жабық оптикалық циклдары жоқ көптеген атомдарды да лазерлік салқындатуға болады, бірақ олар қайта толтыру лазерлерін пайдаланады, олар атом лазерлік циклден тыс күйге ыдырағаннан кейін популяцияны қайтадан оптикалық циклге қайтарады. Мысалы, рубидий-85-тің магниттік-оптикалық тұтқындауы жабық өтпелі циклмен жүзеге асырылады. Алайда, қоздыру кезінде салқындату үшін қажетті детонация күймен шағын, бірақ нөлдік емес жапсырылыс береді. Егер атом осы күйге қоздырылса, бұл әр мың цикл сайын шамамен болады, онда атом жарықпен байланысқан жоғарғы гиперфиналық күйге немесе "қараңғы" төменгі гиперфиналық күйге ыдырауға болады. Егер ол қараңғы күйге қайта түссе, атом негізгі және қозған күйлер арасында айналуын тоқтатады, соның салдарынан осы атомның салқындауы мен тұтқындалуы тоқтатылады. Қайта толтыру лазері ауысумен резонансқа түсіп, популяцияны қайтадан оптикалық циклге қайтару үшін қолданылады, осылайша салқындату жалғасады.

Лазерлік

Барлық магниттік-оптикалық тұзақтарға кем дегенде бір тұзақ лазері және қажет болған жағдайда репампер лазерлері қажет (жоғарыда қараңыз). Бұл лазерлерге жоғары қуат емес, тұрақтылық қажет, олар қанығу қарқындылығынан аспауы тиіс, бірақ Допплер енінен әлдеқайда кіші желі ені, әдетте бірнеше мегагерц болуы керек. Төмен құны, ықшамдылығы және қолданудың қарапайымдығы себепті лазерлік диодтар көптеген стандартты MOT түрлері үшін қолданылады, ал осы лазерлердің желі ені мен тұрақтылығы сервожүйелер арқылы бақыланады, олар лазерлерді атомдық жиілік стандартына, мысалы, қаныққан сіңіру спектроскопиясы және құлыптау сигналын жасау үшін Пунд-Древер-Холл әдісін пайдалану арқылы бекітеді. Екі өлшемді дифракциялық торды қолдану арқылы бір лазерлік сәуледен магнетооптикалық тұзаққа қажетті лазерлік сәулелер конфигурациясын жасауға болады, соның арқасында өте ықшам магнетооптикалық тұзақ құруға мүмкіндік ашылады.

Вакуум камерасы

MOT бұлты жылу буының фонынан немесе атомдық сәуледен жүктеледі, әдетте Земан баяулағышын пайдаланып, ұстау жылдамдығына дейін баяулатылады. Дегенмен, магниттік-оптикалық тұзақтағы тұтқындау потенциалы атомдардың жылу энергиясына қарағанда шағын болады, және тұтқынға түскен атомдар мен фондық газ арасындағы көптеген соқтығысулар тұтқынға түскен атомды тұзақтан шығаруға жеткілікті энергия береді. Егер фондық қысым тым жоғары болса, атомдар тұзаққа жүктелуден гөрі жылдам шығып кетеді, және тұзақ қалыптаспайды. Осылайша, MOT бұлты тек 100 микропаскальдан (10−9 бар) төмен фондық қысымдағы вакуум камерасында ғана пайда болады.

Магниттік-оптикалық тұзақтың шектері

Магниттік-оптикалық тұзақтағы бұлттың ең төменгі температурасы және ең жоғары тығыздығы, салқындатудың әрбір циклында өздігінен шығарылатын фотонмен шектеледі. Атомды қозудағы асимметрия салқындату және тұтқындау күштерін қамтамасыз етеді, бірақ өздігінен шығарылатын фотонның эмиссиясы кездейсоқ бағытта болады, демек, атомның қызуына себеп болады. Әрбір салқындату циклында атом алатын екі ħk импульсының біріншісі салқындатады, ал екіншісі қыздырады: бұл лазерлік салқындатудың қарапайым сипаттамасы, ол осы екі әсердің тепе-теңдікке жететін нүктесін есептеуге және Допплер салқындату шегі деп аталатын төменгі температура шегін анықтауға мүмкіндік береді. Тығыздық та өздігінен шығарылатын фотонмен шектеледі. Бұлттың тығыздығы артқан сайын, өздігінен шығарылған фотонның одан әрі атомдармен әрекеттеспей бұлттан шығып кету ықтималдығы нөлге жақындайды. Көрші атомның өздігінен шығарылған фотонды сіңіруі, сәуле шығарушы және сіңіруші атом арасында 2ħk импульстік соққыны тудырады, бұл Кулондық итергіш күшіне ұқсас, бұлттың максималды тығыздығын шектейтін итергіш күш болып табылады. 2022 жылға дейін бұл әдіс триатомдық молекулаларға дейін жұмыс істейтіні көрсетілді.

Қолдану

Оптикалық салқындату арқылы атомдардың төмен тығыздығы мен жылдамдығына қол жеткізу нәтижесінде, МОТ салқындатылған атомдар шарларындағы орташа еркін жол өте ұзын болады, ал атомдарды баллистикалық деп қарастыруға болады. Бұл кванттық ақпарат эксперименттері үшін пайдалы, онда ұзақ когеренттік уақыт (атомның белгілі бір кванттық күйде өткізетін уақыты) болуы қажет. Абсорбция мен спонтанды шығарудың үздіксіз циклы когеренттілікті жоятындықтан, кез келген кванттық манипуляция эксперименттерін MOT сәулелері өшірілген күйде жүргізу қажет. Мұндай жағдайда, кванттық ақпарат эксперименттері кезінде газдардың кеңеюін тоқтату үшін салқындатылған атомдарды диполь тұзағына жүктеу әдеттегідей болады. Магниттік оптикалық тұзақ әдетте Бозе-Эйнштейн конденсациясын алудың алғашқы қадамы болып табылады. Атомдар МОТ-та кері импульс шегінен бірнеше есе төмен температураға дейін салқындатылады, содан кейін булану арқылы салқындатылады, бұл температураны төмендетіп, тығыздықты қажетті фазалық кеңістік тығыздығына дейін арттырады. 133Cs-тің МОТ-ы CP симметриясының бұзылуын өлшеу үшін ең жақсы нәтижелерді беруге мүмкіндік берді. МОТ-тар бірқатар кванттық технологияларда (мысалы, суық атомдық гравитациялық градиометрлерде) қолданылады және әртүрлі платформаларда (мысалы, дрондарда) және әртүрлі орталарда (мысалы, терең құдықтарда) орналастырылған.