1626435886-1cce6bde8b5ee3bdaa35d7367a651ad8 (844327), страница 41
Текст из файла (страница 41)
По этим причинам применение холодных атомных частиц может резко повысить как разрешающуго способность спектроскопических исследований, так и точность квантовых стандартов частоты 1170, 171]. Другие применения следуют из того обстоятельства, что холодные атомы могут накапливаться и длительное время удерживаться в магнитных ловушках 185). Накопление и хранение локализованных атомов позволяет решить проблему увеличения чувствительности ряда методов исследований, применяемых в атомной физике, в спектроскопии, в ядерной физике.
В частности, удержание атомов в магнитных полях может позволить провоЛить спектроскопические исследования радиоактивных атомов, получаемых в счетном количество в результате ядерных реакций. Наконец, комбинация радиационного замедления атомов с локализацией атомов в магнитных ловушках представляет значительный интерес для пзотопическп селективного детектирования едиипчпых атомов. Ниже обсуждаются некоторые пдгп, выдвппутьп за послсдппо годы в данных паправлешшх. ч 12 1. Микроволновые стандарты частоты 12 1.1.
Квантовые стандарты частоты на пучках медленных атомов. Один из основных способов получении стабилизированных по частоте электромагнитных колебашш микроволнового диапазона основан на наблюдении резонанса Рамзея в разнесенных ОВЧ-резопаторах (резонаторах Рамзея) на переходах между уров- ними сверхтонкой структуры атомов 1172, 1731. В атом способе используется пучок атомов, телшература которого выше комнатной. Иэ-за относительно болыпой температуры атомов в данном способе существует несовпадение частоты колебаний поля в резонаторе Рамзея с частотой атомного перехода.
Это несовпадение является результатом трех основных эффектов. Во-первых, пз-за большой тепловой скорости атомов значительным является пролетное ушпрение спектральной липин. При полной длине резонатора Л и средней скорости атомов <г) прон(тиос ушпрепие резонанса Рамзея составляет Льл = (и)/Х. (12.1) Пролетное ушнренпе спектральной лпшш ограничивает точность настройки частоты поля в резонаторе па частоту атомного перехода. Во-вторых, при обычной тепловой скорости атомного пучка заметен сдвиг частоты спектральной линии относительно частоты атомного перехода, обусловленный сдвигом фаз микроволнового поля в двух частях резонатора Рамзея. При величине сдвига фаз 6 сдвиг частоты резонанса Рамзея определяется соотношением ал — ю„= — 6<в>/Е.
(12.2) Наконец, разброс тепловых скоростей атомов обусловливает сдвиг частоты спектральной линии за счет квадратичного эффекта Доплера. Этот сдвиг определяется соотношением (12.3) ы — ы„= — '/лы„(г'>/с' =. — ы,(йвТ!Мс'), Сдвиги резонанса Рамзея обусловливалот систематическую лгогрепгность стандартов частоты. 199 с ' бзрл Г-З д '2 а рис.
123. а — Схема микроволнового стандарта частоты с лазерным замедлением пучка атоиов: 1 — источник атомного пучка; 2 — лазерное излучение; 2 — зеркал» с отвес>стиельь 4 — резонатор Рамзел; Д вЂ” детектор атомов. Г> — Схсньа ус>ов>ьсй атосы '"Сз с излучением мохсст быть обеспечено возбуждением атомов двухчастотпым излучением на персхо;ьах 65»л(В=3) — 6Р; 65,>л(Р= =4) — 6Р (см. рисунок). При температуре источника атомного ььучка Т =-300 К срсдияи скорость б атомов ">Св примерно равна 2 10' ель/с.
Для замедлении большой части атомного пу пса частоты е>„ыл лазерного излучения должны быть выбраььы мепьишми частот псрсхо;ьов 6Я»л(Р=З) — 6Р; 63»л(Р=4) — 6Р па величину доплеровского сдвига И = 2и 400 МГц. При тассо>с расстройко скорости атомов в >соль>со пути замедлении могут быть ульспьшспы до значения, опредглиемого;>ффектшьпой температурой (7.55): <ь>У = (27>с»,ИЛ|с) "" = 10> ель/с, (12.4) где с»„!2и = 3,5 10" Гц — частота электронного перехода 6Я вЂ” 6Р. Длина замодлеиии пучка до скорости (12.>) при параметре иксы>ценив Г' = 10> сот:шсио (7.54) равна (12.5) 197 В качестве примера можно указать, что для цезиевого стандарта частоты типичное значение пролетного уширення составляет 100 Гц.
Сдвиг резонанса 1'амзея за счет несовпадения фаз поля имеет значение 10 ' Гц, сдвиг за счет квадратичного эффекта Доплера составляет 10 ' Гц. 1>ак следует из соотношений (12.!) — (12.:>), все основные причины уширепия и сдвша резонанса 1'амзгя могут Г>ыть устранены снижешпм температуры атолл>>ого пучка. Прнчое пони>кение ьолшературы истсшьшка атс>много ь>учка, однако, оказывается певозмоисиыч.
поскольку нри этом резко падает ььктснсивность пучка. В противоположность эгону, радиационное охлаждение атомного пучка встречным лазерным излучением поз>>оляет резко умеш шить уширснио и сдвьпи резонанса 1'амзея без существенного уменьшения иктспсиьности пу иса атомов. рассмотрим и качество примера замедление атомного пучка в цезиевом стандарте частоты (рис.
12.1). Основное состояние атома '"Сз расщеплено ца два подуровня (Р = 3, 4) сверхтонкой структуры. По этой причине циклическоо взаимодействие атомов ббд >л Уменьшение скорости и ширины скоростного распределения атомного пучка до значения (12.4) соответствует понижению температуры относительного движения атомов в 10' раз, В результате в случае пучка атомов цезия гпприна спектральной лпнпп может быть уменьшена и 10'- раз, сдвиг частоты пз-за несовпадения фаз в двух частях резонатора 1'амзея — также в 10' раз, а сдвиг частоты из-за квадратичного эффекта Доплера может быть уменьшен в 10' раз. Соответственно, стабильность частоты квантового стандарта на пучке атомов '"Сз может быть повышена в 10з раз.
Другим примером микроволнового стандарта, точность которого может быть существенно повышена прп использовании лазерного замедления, является стандарт частоты на пучке атомов натрия, использующий в качестве реперпого резонанс комбинационного рассеяния [174). В этом стандарте получен реперный резонанс с шириной Лт = 2,6 кГц, которая определяется временем пролета тепловых атомов через область взаимодействия Г = 15 см.
Уменьшение температуры пучка атомов натрия от Т = 643 К [1741 до Тж10 ' К моягет позволить уменыпить ширину резонанса примерно в 10" раз с соответствующим улучшением стабильности частоты. 121.2. Квантовые стандарты частоты на холодных локализованных ионах. Наряду с холодными атомами в последние годы были рассмотрены возможности использования холодных локализованных ионов в стандартах частоты микроволнового и оптического диапазонов. Ниже кратко рассматриваются особенности микроволнового ионного стандарта частоты. Привлекательными особенностями стандарта частоты на основе холодных локализованных ионов являются отсутствие возмущений, связанных с материальными стенками, и малая величина сдвига частоты за счет квадратичного эффекта Доплера.
В качестве вероятного кандидата для применения в микроволновом стандарте частоты рассматривался ион м'Нд+ [1751. Выбор данного иона обусловлен двумя причинами. Во-первых, ион "'Нд+ имеет достаточно большой интервал сверхтонкой структуры в основном состоянии т = 30 ГГц, благодаря чему микроволновый резонанс может иметь большую добротность 17 = т/Лт. Во-вторых, благодаря большой массе иона небольшим является сдвиг частоты за счет квадратичного эффекта Доплера. Из двух возможных типов поппых ловушек для создания стандарта частоты более предпочтительным является использование ловушки Пепнинга (см.
з 11.1). Это обусловлено тем, что в ловушке Пеннинга возможно охлаждение болыпего числа ионов, чем в радиочастотной ловушке. Большое число хранимых ионов, в свою очередгь позволяет иметь высокое значение отношения сппил/шум. В качестве рабочих переходов в ионе "'Н~ + могут быть использованы переходы типа (с = 2, те =0 — 7г= 1, т, = 1, частоты которых ке подвержены влиянию линейного эффекта Зеемана. Для охлаждения иона м'Нд+ может быть использовано лазерное пзлу- 198 ченпе с длиной волны Х = 1942 А, отстроенное в низкочастотную сторону от частоты перехода бр<Р<<! — 6з<Я!<!.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
