Диссертация (1149660)
Текст из файла
Санкт-Петербургский Государственный УниверситетФизический ФакультетНа правах рукописиУДК 561.128Ефимов Дмитрий КирилловичПРОЦЕССЫ ИОНИЗАЦИИ В ХОЛОДНЫХ СРЕДАХРИДБЕРГОВСКИХ АТОМОВСпециальность 01.04.05 —«Оптика»Диссертация на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:д. ф.-м. н., профессорБезуглов Николай НиколаевичСанкт-Петербург — 20162ОглавлениеВведение . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 Пеннинговская ионизация в ультрахолодных газах . . . . . . . 191.1Основные свойства Ридберговских атомов . . . . . . . . . . . . .221.2Бинарная модель Пеннинговского процесса . . . . . . . . . . . .241.2.11.3Квазиклассическое представление радиальных интегралов 26Свойства асимметричных Пеннинговских процессов - эффект Тома и Джери .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .281.3.1Анализ для атома водорода . . . . . . . . . . . . . . . . .331.4Диффузионная стадия холодного Ридберговского газа . . . . . .381.5Анализ возможных сценариев развития Пеннинговской ионизации 391.5.1Эффекты дипольной блокады . .
. . . . . . . . . . . . . .1.5.2Сравнение со скоростью ионизации излучением черноготела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40452 Исследование корректности одномерной диффузионной модели ассоциативной ионизации . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 492.1Диффузионная модель ассоциативной ионизации . . . . . . . . .502.2 Метод расщепленных эволюций для расчета электронных орбиталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .532.3 Модернизированный алгоритм . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . .582.4 Динамика электрона в переменном внешнем поле . . . . . . . . .632.4.1Ионизация при установлении глобального хаоса . . . . . .632.4.2Траекторное моделирование квантовых состояний . . . . .652.4.3Результаты численного моделирования . . . . . . . . . . .662.5 Анализ эволюции углового момента Ридберговского электрона . .7132.5.1Аналитическая модель эволюции атома водорода во внеш-2.5.2нем стационарном электрическом поле . . . . . .
. . . . . .˜ в микроволновом поле . . . . . . . . . . . . .Динамика 762.6 Краткое резюме по второй главе . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8372Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 88A Атомная система единиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100B Интегральное представление ряда (1.18) . . . . . . . . . . . . . 1024ВведениеХолодные Ридберговские газы в последние два десятилетия являются актуальным объектом исследований в физической литературе. В первую очередьэто связано со стремительным развитием экспериментальной техники, позволяющей охлаждать нейтральные газы до сверхнизких (порядка нК) температури эффективно когерентным образом возбуждать атомы газов. С другой стороны, прикладные проблемы квантовой информатики требуют для своего решения стабильные и легко управляемые квантовые объекты. На сегодняшнийдень к числу достижений в исследовании холодных газов можно отнести получение оптических решеток, Бозе-Эйнштейновских и фермионных конденсатов,создание технологий манипулирования отдельными атомами и фотонами. Прогресс в этих областях был отмечен многочисленными нобелевскими премиями:1989 года Хансу Демельту и Вольфгангу Паулю за разработку метода удержания одиночных ионов; 1997 года Стивену Чу, Клоду Коэн-Таннуджи, УильямуФиллипсу за создание методов охлаждения и пленения атомов с помощью лазерного света; 2001 года Эрику Корнеллу, Вольфгангу Кеттерле, Карлу Вимануза достижение конденсации Бозе — Эйнштейна в разреженных газах щелочныхметаллов и за начальные фундаментальные исследования свойств конденсатов; 2005 года Рою Глауберу за вклад в квантовую теорию оптической когерентности, Джону Холлу, Теодору Хеншу за вклад в развитие лазерной точнойспектроскопии, включая технику прецизионного расчета светового сдвига в оптических стандартах частоты (оптических гребёнок); 2012 года Сержу Арошу иДэвиду Вайнленду за создание прорывных технологий манипулирования квантовыми системами, которые сделали возможными измерение отдельных квантовых систем и управление ими.Одной из главных причин привлекательности исследований в области холодных газов является наличие перспективы реализации элементарных квантовых5логических элементов — квантовых битов, или кубитов — на основе нейтральных атомов [1].
Физически, кубитами могут быть любые квантовые объекты,которые могут находиться в перепутанном состоянии друг с другом и быть проинтерпретированы как двух-уровневые системы. Для того, чтобы атомы можнобыло использовать в качестве кубитов, необходимо контролировать их индивидуально [2]: атомы должны быть максимально охлаждены и пространственнолокализованы, т.е. пленены.
Первые наблюдения индивидуальных заряженныхатомных частиц были проведены в 1978 году группой П. Тошека на примереионов бария в ловушке Пауля [3]. Сильное радиочастотное электромагнитноеполе удерживало ионы в малом объеме в течение длительного времени, эффективное оптическое детектирование, обеспеченное резонансной флуоресценциейот узкополосного перестраивомого лазера. Эксперименты подобного типа позволили в 1980-е годы описать различные интересные явления, такие как квантовые скачки [4], образование ионных кристаллов [5], и др. Необходимого контроля состояний отдельных нейтральных атомов удалось добиться лишь в 1994 году [6], намного позже, чем в случае с атомарными ионами, поскольку удерживающие градиентные дипольные силы оказываются гораздо слабее электростатических сил, используемых для пленения заряженных частиц.
Пространственнаялокализация нейтральных атомов может быть получена в магнито-оптическойловушке (Magneto-Optical Trap, MOT) за счет воздействия на частицы сил светового давления, эффективного потенциала оптической дипольной ловушки,а также магнитного поля магнитной ловушки в случае, если атом обладаетмагнитным моментом. Использование магнито-оптической ловушки позволило охладить атомы до температуры порядка 10 K [7]. Последовавшая вскоре(1995) реализация Бозе-Эйнштейновской конденсации нейтральных атомов [8]вывела эксперименты с нейтральными атомами на важную, уникальную позицию: стало возможным изучение многочастичных систем с контролируемымивзаимодействиями в полностью управляемых средах. В образцах ультрахолодного газа, содержащих порядка 10000 атомов, были получены и изучены новыеквантовые состояния, индуцированные квантовыми фазовыми переходами [9].Собственно проблема охлаждения атомных газов до сверхнизких температур, в миллионные доли градусов Кельвина активно исследовалась в 1970-90-хгодах, особый вклад в разработку теоретических оснований лазерных техноло-6гий получения температур, близких к абсолютному нулю, принадлежит КлодуКоен-Таннуджи и его сотрудникам [10–12] (см.
обзор [13]). Самый простой методлазерного охлаждения, Допплеровское охлаждение [14, 15], заключается в многократном вынужденном поглощении и спонтанном излучении фотонов. Еслилазерный пучок отстроен в красную сторону и направлен навстречу движенияатома, то последний теряет кинетическую энергию. Торможение атомов, движущихся в противоположном направлении, производится путем подключениявторого лазерного пучка, движущегося в противоположном направлении по отношению к первому. Таким методом можно охладить атомы до критическойтемпературы = −1 ~Γ/2, где есть постоянная Больцмана, и Γ есть радиационная ширина верхнего уровня атома.
Для щелочных атомов ее значениесоставляет порядка сотни К (для натрия около 240 К и для цезия около 240К). Атомы, однако, можно охладить и до много более низких температур, используя иные механизмы лазерного охлаждения, к примеру так называемое Сизифово охлаждение [11]. С его помощью возможно достичь температур порядкаединиц К. Существуют также альтернативные способы лазерного торможениянейтральных частиц, такие как зеемановское замедление [16] и охлаждение методом боковой полосы [17].Для пространственной локализации атомов используются разные экспериментальные подходы. Наиболее простой основан на удержании предварительноохлажденных частиц внешним магнитным полем.
Эта, так называемая магнитооптическая ловушка (МОТ) [18], по сей день является основным устройствомдля приготовления ансамблей холодных атомов для различных экспериментов. Глубина пленения нейтральных частиц в МОТ определяется градиентоммагнитного квадрупольного поля, диаметром и отстройкой лазерных пучков,используемых для охлаждения/удержания, а также парциальным давлениемисследуемого атомного образца, который необходимо пленить [19]. Скоростьпотерь, с другой стороны, обуславливается столкновениями с внешним газом,изотермическими столкновениями внутри ловушки.
В обычной МОТ градиентквадрупольного поля в 10 Г/см, ширина лазерных пучков составляет порядка 1см, а красная отстройка лазеров составляет примерно −2, где есть естественная ширина атомной резонансной линии; около 109 атомов могут быть пленены7с температурой ниже 1/2 допплеровской температуры (предельной температуры, получаемой в регулярной дипольной ловушке).Конфигурация и параметры магнито-оптической ловушки могут варьироваться в широких пределах для удовлетворения тех-или-иных практическихцелей. Например, для создания ультра-медленного пучка атомов была разработана пирамидальная схема МОТ [20–24]. Пирамидальная МОЛ состоит изчетырехкамерной высоковакуумной системы, в которой размещены призмы изеркала в пирамидальной конфигурации.
Установка за счет использования шести независимых диодных лазерных систем в конфигурации мастер-осцилляторпозволяет реализовать как статическую МОЛ с высокой плотностью атомов,так и лазерно охлажденный непрерывный пучок холодных атомов. Коллимацияпоследнего осуществляется за счет создания оптической патоки [25] в двумерной плоскости , , ортогональной оси движения атомов. Холодные пучкиимеют многообещающие перспективы для использования в атомной литографии в силу малого угла расходимости, достаточно большой плотности частиц(более 1011 см−3 ) и малой продольной скорости порядка 10 м/с. Для сравненияв двух традиционных типах пучков, диффузионном и газодинамическом [26]продольная скорость имеет значения порядка 400 и 1100 м/с соответственно.Плотность удерживаемых атомов допускает формирование пространственных структур типа «оптическая решетка» (Optical lattices) [27].
Скрещенныелазерные пучки создают стоячую волну, пространственно модулируя напряженность светового электрического поля. В возникших оптических потенциальныхямах могут захватываться охлажденные атомы. В экспериментах несложно менять глубину потенциальной ямы, а также период решетки. Важно заметить,что в оптических решетках могут формироваться изоляторы Мотта - структуры, в которых в одной потенциальной яме содержится один атом. Это, вчастности, позволяет создавать квази-кристаллическую решетку и исследоватьвзаимодействия атомов, находящихся в узлах.Поскольку наименьшее расстояние между подобными атомами составляетвеличину порядка длины волны лазерного излучения, то для заметного перепутывания состояний необходимо наличие дальнодействующей связи между атомами.
В качестве таковой выступают Ван-дер-Ваальсовы или дипольдипольные силы, характерные для высоковозбужденных состояний. Межча-8стичное взаимодействие для Ридберговских атомов сопоставимо с тем, что наблюдается в ионных системах. Это объясняет повышенный интерес к изучениюхолодных Ридберговских газов, наметившейся в научной литературе в последнее десятилетие. К другим эффективным механизмам формирования пространственных коллективных состояний следует отнести реализацию Фешбаховскихрезонансов в межатомных взаимодействиях [28] и использование сверхточныхрезонаторов [29].Задача возбуждения холодного газа в заданные Ридберговские состоянияимеет свои сложности. С одной стороны, необходимо обеспечить хорошее согласование когерентностей атомных переходов. Для этого привлекаются высокоэффективные адиабатические методы, такие как СТИРАП (STIRAP, stimulatedRaman adiabatic passage, стимулированный рамановский адиабатический переход) [30], вместе с их модификациями, призванными наряду с улучшениемуправления процессами передачи заселенностей между квантовыми состояниями достигать [31] высокой степени точности [32].
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
