Лазерное охлаждение атомов тулия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. H.H. Лебедева Российской академии наук

005533746 На правах рукописи.

СУКАЧЁВ ДЕНИС ДМИТРИЕВИЧ

ЛАЗЕРНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ АТОМОВ ТУЛИЯ

Специальность 01.04.21 — Лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2013

005533746

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физическом институте им. П.Н.Лебедева Российской академии наук.

Научный руководитель: член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук Колачевский Николай Николаевич (ФИАН, гл.н.с.)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Пальчиков Виталий Геннадьевич (ВНИИФТРИ, зам. директора) доктор физико-математических наук, Городецкий Михаил Леонидович (МГУ им. М.В.Ломоносова, профессор) Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт спектроскопии Российской академии наук (ИСАН)

Защита состоится «28» октября 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 002.023.03 Физического института им. П.Н.Лебедева РАН (ФИАН)

Адрес: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 53

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН но адресу: 119991 г. Москва, Ленинский проспект, д. 53

Автореферат разослан «_»_2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.023.03 д.ф.-м.н.

А.С. Шиканов

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Лазерное охлаждение атомов и их захват в магнито-оптическую ловушку (МОЛ) являются на сегодняшний день одним из самых распространенных методов получения и исследования ансамблей атомов при температурах ниже 1мК [1]. Они находят свое применение в прецизионной лазерной спектроскопии [2], атомной интерферометрии [3], в изучении атомных взаимодействий при малых скоростях [4] и синтезе холодных молекул [5]. С использованием магнито-оптических ловушек получают бозе-эйнштейновские конденсаты атомов и вырожденные ферми газы [6]. Холодные атомы широко используются при решении фундаментальных задач, например, проверке основополагающих физических теорий [7] и измерении фундаментальных констант [8]. На основе методов лазерного охлаждения созданы атомные реперы частоты: от первого цезиевого фонтана [9] до оптических часов на А1+ [10]. Относительная нестабильность лучших оптических часов достигла 1СГ18, что открывает перспективы их использования в системах спутниковой навигации и в астрономических исследованиях.

Работа посвящена лазерному охлаждению, захвату в МОЛ и в магнитную ловушку (МЛ) атомов тулия (Тт), а также их субдоплеровскому охлаждению. Электронная структура основного состояния атомов тулия имеет вид [Хе]4/136з2. Благодаря одной вакансии в 4/ оболочке основное состояние тулия обладает большим магнитным и угловым моментами. Такие системы интересны, например, с точки зрения изучения магнитных диполь-дипольных взаимодействий [11]. Тонкая структура основного состояния Тш [Хе]4/136й2(^°) состоит из двух подуровней с полным электронным моментом 3 = 7/2 1^ = 5/2. Узкий магнито-дипольный переход на длине волны 1,14 мкм и со спектральной шириной 1,2 ± 0,4 Гц [12], связывающий эти под-

уровни, может быть использован в метрологических целях [13], в фундаментальных исследованиях [14] и в задачах квантовой информации [15].

Для лазерного охлаждения и захвата в МОЛ использовался сильный переход

4/13(2^°)652 (7 = 7/2,^ = 4)^ 4/12(3Я5)54/2б52 -9/2,^ = 5) с длиной волны 410,6 нм. Естественная ширина перехода составляет 7 = Г/27Г = 10,5 ± 0,2 МГц [12], что соответствует доплеровскому пределу температуры То = 240 мкК.

Цели работы

Целями данной работы были:

1. Создание экспериментальной установки по лазерному охлаждению и захвату атомов тулия в МОЛ, работающую на переходе с длиной волны 410,6 нм.

2. Измерение числа захваченных в МОЛ атомов, их времени жизни и температуры в зависимости от параметров пучков МОЛ.

3. Исследование возможности работы МОЛ для атомов тулия без перекачивающего излучения. Измерение коэффициента ветвления охлаждающего перехода по верхнему уровню.

4. Разработка и реализация методов субдоплеровского лазерного охлаждение атомов тулия.

5. Исследование МЛ для атомов тулия. Оценка константы скорости переворота спина из-за магнитного диполь-дипольного взаимодействия атомов тулия в основном состоянии.

Научная новизна

1. Впервые осуществлено лазерное охлаждение редкоземельных атомов тулия и произведен их захват в МОЛ. Показано, что для лазерного охлаждения атомов тулия не требуется перекачивающее излучение. Впервые получено экспериментальное значение коэффициента ветвления охлаждающего перехода по верхнему уровню.

2. Установлено, что для атомов тулия имеет место эффективное субдо-нлеровское охлаждение атомов внутри МОЛ. Получено рекордное значение температуры облака атомов тулия, равное 25 мкК, которое на порядок величины ниже донлеровского предела.

3. Исследован захват атомов тулия в МЛ, образованную квадрупольным магнитным полем МОЛ. Получено ограничение сверху на константу скорости переворота спина из-за магнитного диполь-динольного взаимодействия атомов тулия в основном состоянии, согласующееся с предыдущими работами.

Практическая ценность

Разработана экспериментальная техника лазерного охлаждения атомов тулия. Ультрахолодные атомы тулия, помещенные в оптическую дипольную ловушку или в оптическую решетку, могут быть применены в задачах метрологии времени и частоты с использованием узкого магнито-дииольного перехода на длине волны 1,14 мкм. Лазерно-охлажденные атомы тулия планируется использовать для квантово-механического моделирования высокотемпературных сверхпроводников.

Сведения об апробации результатов работы

Результаты работы докладывались автором на следующих международных и российских научных конференциях и школах:

1. 3-я Высшая лазерная школа «Современные проблемы лазерной физики», 9-11 ноября 2009 г., пансионат Вятичи, Московская область. Премия за победу в конкурсе устных презентаций.

2. III Всероссийская молодёжная школа-семинар с международным участием «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики», 25-30 октября 2009 г., Москва. Доклад «Лазерное охлаждение и пленение атомов тулия», опубликован в Трудах Школы, стр. 49.

3. 52-ая научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», 27-30 ноября 2009 г., Москва-Долгопрудный. Доклад «Лазерное охлаждение и пленение атомов тулия», опубликован в Трудах конференции, Часть II, стр. 75-77.

4. XIII Школа молодых ученых «Актуальные проблемы физики» и IV Школа-семинар «Инновационные аспекты фундаментальных исследований», 14-19 ноября 2010г., Звенигород-Москва. Доклад «Поляризационно-градиентное охлаждение атомов тулия в магнитооптической ловушке».

5. International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO), 23-26 августа 2010 г., Казань. Доклад «Sub-Doppler Laser Cooling of Thulium Atoms».

6. Pre-doctoral school «Ultracold atoms, metrology and quantum optics», 12-24 сентября 2010 г., Les-Houches, Франция. Доклад «Sub-Doppler laser cooling of Tm atoms».

7. 53-ая научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», 24-29 ноября 2010 г., Москва-Долгоирудный. Доклад «Субдоплеровское лазерное охлаждение атомов тулия», опубликовано в Трудах конференции, Часть II, стр. 253254.

8.2nd German-French-Russian Laser Symposium, 14-17 апреля 2011г., Goessweinstein, Германия. Доклад «Magneto-optical and magnetic traps for thulium atoms».

9. 4-ая Всероссийская молодежная конференция "Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики 14-16 ноября 2011г., Москва. Доклад «Захват атомов тулия в магнитную ловушку».

10. 4-ая Всероссийская молодежная конференция «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики», 14-16 ноября 2011г., Москва. Доклад «Компактная полупроводниковая лазерная система на длину волны 410,6 нм».

11. 43rd Conference of the European Group for Atomic Systems (EGAS), 28 июня-2 июля, 2011г., Fribourg, Швейцария. Доклад «Sub-Doppler laser cooling and trapping of thulium atoms», опубликован в трудах конференции, стр. 34.

12. XI Международные Чтения по Квантовой Оптике (IWQO-2011), 510 сентября 2011г., Волгоград. Доклад «Субдоплеровское лазерное охлаждение атомов тулия в магнитооптической ловушке и магнитное удержание атомов тулия в низкоградиентной магнитной ловушке». Диплом за успешное выступление.

13. The 23rd International Conference on Atomic Physics, 23-27 июля, 2012г., Palaiseau, Франция. Доклад «Laser cooling of thulium atoms with BluoRay diodes», опубликовано в Трудах конференции, стр. 259.

Результаты работы опубликованы в пяти периодических изданиях, входящих в диссертационный перечень ВАК, ссылки на которые приведены в конце автореферата. За цикл работ автору были присуждены премия им. С.И.Вавилова УНК ФИАН за 2009 год и премия им. Н. Г. Басова ОКРФ ФИАН за 2010 г.

Личный вклад автора

Все изложенные в диссертации результаты получены лично автором, либо при его решающем участии.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и трех приложений. Список использованной литературы содержит 107 наименований. Объем диссертации составляет 107 страниц машинописного текста, включая 42 рисунка и 2 таблицы.

Защищаемые положения

1. Осуществлено лазерное охлаждение и захват атомов тулия в магнитооптическую ловушку на переходе с длиной волны 410,6 нм. Экспериментально измерен коэффициент ветвления охлаждающего перехода по верхнему уровню. Его значение составляет (22 ± 6) х Ю-', что обеспечивает возможность лазерного охлаждения без использования перекачивающего излучения.

2. Реализовано субдоплеровское охлаждение более 10" атомов тулия в магнито-оптической ловушке вплоть до температуры 25мкК. Субдоплеровское охлаждение эффективно работает в магнито-оптической ловушке благодаря совпадению факторов Ланде уровней охлаждающего перехода.

3. Осуществлен захват 104 охлажденных атомов тулия в магнитную квадрупольную ловушку при температуре 40мкК. Дано ограничение сверху на константу скорости переворота спина из-за магнитного диполь-дипольного взаимодействия атомов тулия в основном состоянии Ю-11 см3 с-1.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы ее цели и задачи, кратко изложено содержание разделов диссертации.

В Главе 1 «Магнитооптическая ловушка для атомов тулия»

дано подробное описание экспериментальной установки по лазерному охлаждению атомов тулия и приведены результаты измерений времени жизни и числа атомов в МОЛ.

В п. 1.1 обсуждается вопрос получения паров тулия с давлением порядка 10~2мбар, достаточным для работы МОЛ.

В п. 1.2 приводится описание основных узлов экспериментальной установки: лазерной системы, вакуумной части, оптической схемы, системы стабилизации частоты лазера, оптической схемы и системы регистрации.

В п. 1.3 приведены результаты измерения времени жизни и числа атомов в МОЛ.

В п. 1.3.2 но результатам измерений времени жизни атомов в МОЛ (см. рис. 1) получена оценка на константу скорости неупругих столкновений возбужденного и невозбужденного атомов тулия (3 ± 2) х Ю-10 см3с-1.

В п. 1.3.3 представлена зависимость обратного времени жизни атомов в МОЛ от интенсивности света в центре МОЛ (см. рис. 2). Наибольшее время жизни составило 1,9 с и ограничивалось столкновениями с атомами остаточных газов в вакуумной камере.

Из этих данных получено значение коэффициента ветвления охлаждающего перехода по верхнему уровню, равное (3 ± 1) х 1СГ7. Столь малое значение коэффициента ветвления обуславливает эффективную работу тулиевой МОЛ без использования дополнительного излучения, которое будет «закрывать» каналы потерь, связанные с распадом верхнего уровня охлаждающего перехода на соседние уровни противоположной четности.

Эксперимент

Без учета столкновений

С учетом столкновений

О

г

Вреня, с

Рисунок 1 — Динамика загрузки МОЛ. Сплошная линия - аппроксимация теоретической зависимостью с учетом столкновений, пунктирная линия — аппроксимация теоретической зависимостью без учета столкновений (экспонента).

Рисунок 2 — Обратное время жизни атомов в МОЛ при различных интенсивностях и отстройках пучков МОЛ. Квадратики соответствуют экспериментальным данным, — интенсивность на оси каждого из 6-ти пучков МОЛ. Г0 и ГЧ соответствуют параметрам теоретической модели, описанной в тексте диссертации.

В п. 1.3.4 приведены результаты измерений числа атомов тулия, захваченных в МОЛ, которые качественно согласуются с численными расчетами, приведенными в Приложении Б. Наибольшее число атомов в МОЛ составило 3 х 10е и ограничивалось потоком атомов в атомном пучке. Концентрация атомов в центре МОЛ была порядка 1012 см-3 и ограничивалась бинарными столкновениями атомов тулия в МОЛ.

о і 2 з і 5 10 [мВт/см1 ]

В п. 1.3.5 показано, что благодаря особенностям сверхтонкой структуры уровней охлаждающего перехода для работы тулиевой МОЛ не нужно дополнительное перекачивающее излучение, выполняющее оптическую накачку с подуровня ^ = 3 на подуровень ^ = 4. Данную накачку выполняет само охлаждающее излучение.

В Главе 2 «Субдоплеровское охлаждение атомов тулия» описываются эксперименты по субдоилеровскому охлаждению атомов тулия в МОЛ.

В п. 2.1 кратко описан процесс градиентно-поляризационного субдопле-ровского охлаждения атомов. Показано, что температура атомов Т зависит от частотной остройки 5 и интенсивности I пучков МОЛ следующим образом:

Т ос и. (2)

В п. 2.2 обсуждается влияние магнитного поля на процесс субдоплеров-ского охлаждения. Показано, что при совпадении факторов Ланде уровней охлаждающего перехода магнитное ноля практически не влияет на охлаждение атомов. Так как различие указанных факторов Ланде для атомов тулия меньше 3%, то должно наблюдаться эффективное субдоплеровское охлаждение атомов тулия в МОЛ без использования специального цикла субдоилеров-ского охлаждения.

В п. 2.3 описан метод измерения температуры атомов в МОЛ но баллистическому разлету облака холодных атомов. Он заключается в измерении зависимости радиуса облака атомов от времени, прошедшего с момента выключения лазерных пучков и квадрупольного магнитного поля. Если распределение по скоростям является максвелловским, а пространственная форма облака описывается гауссовским законом, то радиус облака га (по уровню 1/е2) будет изменяться ио закону:

О 1П О 1П о «а* «а*

«а

1Г>

п-Г

«л

«а щ

Рисунок 3 — Последовательные фотографии облака холодных атомов тулия после выключения световых и магнитных полей. Фотографии выполнены через интервалы времени Д< = 0; 0,5: 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5, 5,5; 6; 7 и 8мс после начала разлета.

где Т - температура атомов, £ - время разлета, то - масса атома, са.'о — начальный радиус облака, кв — постоянная Больцмана.

В п. 2.4 приведены результаты измерений температуры атомов тулия в МОЛ. На рис. 3 представлены фотографии разлетающегося облака атомов.

На рис. 4 показаны результаты измерения зависимости температуры атомов в МОЛ от частотной отстройки и интенсивности пучков МОЛ. Полу-

0.5 1 1.5 2 2,5 3 Отстройка от резонанса, -у

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1.0 1,2 1,4 Параметр насыщения 8 центре поВушки 5

6)

Рисунок 4 — Температура атомов тулия в МОЛ.

(а) Зависимость температуры атомов от отстройки пучков МОЛ при двух значениях параметра насыщения 5 = 1/11аг, где /8аг = 18 мВт/см2 — интенсивность насыщения. Квадратики —5 = 2, кружочки — 5 = 0,4. Пунктирные линии соответствуют теоретической модели (2). Сверху изображена температура в доплеровской теории.

(б) Зависимость температуры атомов от интенсивности света в МОЛ. Частотная отстройка охлаждающего излучения —10МГц. Прямая линия — теоретическая модель (2).

ченная монотонная зависимость температуры от частотной отстройки пучков МОЛ прекрасно согласуется с теоретической моделью (2) и подтверждает наличие эффективного субдоплеровского охлаждения атомов тулия в МОЛ. Наименьшая полученная температура составила 25 ± 5мкК, что на один порядок величины ниже доплеровского предела Тг> = 240 мкК для используемого охлаждающего перехода.

В Главе 3 «Магнитная ловушка для атомов тулия» проведено исследование атомов тулия, захваченных в квадрупольную магнитную ловушку (МЛ), образованную магнитным полем МОЛ.

В п. 3.1 описаны принципы действия квадруиолыюй МЛ. Показано, что в МЛ с вертикальным градиентом магнитного поля около 40 Гс/см могут захватываться только атомы тулия, находящиеся на магнитном подуровне с тпр > 2.

В п. 3.2 обсуждается вопрос наблюдения атомов тулия, захваченных в МЛ. На рис. 5 представлены фотографии разлетающегося облака атомов тулия в двух случаях: а) при выключенных лазерных пучках и выключенном квадрупольном магнитном поле, б) при выключенных лазерных пучках и включенном квадрупольном магнитном поле. Из сравнения двух серий можно заключить, что атомы тулия, первоначально захваченные в МОЛ, при выключении лазерных пучков перезахватываются в МЛ.

В п. 3.3-3.4 описан метод измерения температуры атомов в МЛ, основанный на анализе пространственного распределения концентрации атомов в МЛ. Показано, что интегральный вертикальный профиль концентрации имеет

вид:

г = 2квТ/ (д Ь2), д = тд/ {¡л, 62), г = 2квТ/ (ц Ьх), у = 2кБТ/ (рЪу)

•у) I

% 1Г| ^ >о ^

сГ о" " сч|" счГ

¡И

¡И!

«а

¡■I

»о ча «о" ч>

а)

§ * # % * * * # «

й 22 £ а »» см «VI 50 «VI 30 с»

с> <г> «а

^ Б ^ ^

б)

Рисунок 5 — Серии фотографий разлетающегося облака холодных атомов после выключения световых пучков. Цифры обозначают время в мс, прошедшее с момента выключения света.

(а) Разлет в случае отсутствия магнитного поля. Облако изотропно расширяется и падает в поле силы тяжести. Примерно через 10 мс после выключения лазерных пучков сигнал от разлетающегося облака становится неразличим на фоне шумов.

(б) Разлет в присутствии квадрупольного магнитного поля. Яркое неподвижное пятно в центре — атомы,захваченные в МЛ. Также видны атомы, не захваченные в МЛ и падающие под действием силы тяжести.

где - нормировочный множитель, 6г - вертикальный градиент магнитного ноля, Д — эффективный магнитный момент атома, г и параметры распределения, Т — температура атомов в МЛ. Из указанного выражения видно, что температура атомов равна:

Т = (5)

2 квд

На рис. 6 приведены фотография захваченных в МЛ атомов и вертикальный интегральный профиль концентрации. Для данного случая температура атомов в МЛ равна 40 ± 10 мкК (исходная температура в МОЛ была 100 ± ЮмкК).

Координата по горизонтали, отн. ед. Интенсивность, опн. од.

а) б)

Рисунок 6 - а) Фотография облака атомов тулия, захваченных в МЛ. б) Вертикальный инте-( тральный профиль магнитной ловушки и его аппроксимация формулой (4); г = 203 ± 15мкм 9 = 0,5 ±0.1.

I

Было проведено исследование зависимости температуры атомов в МЛ от времени, прошедшего после выключения лазерных пучков. В пределах ошибки измерений температура была постоянна.

В п. 3.5 обсуждается вопрос о числе атомов, их времени жизни в МЛ и дается оценка константы скорости переворота спина в результате магнитных диполь-дипольных взаимодействий атомов тулия.

При типичных параметрах эксперимента в МЛ загружалось порядка 10% атомов из МОЛ, наибольшая концентрация атомов в МЛ составила 109см~3. Время жизни атомов в МЛ составило 0,5 с (см. рис. 7) и определялось майо-рановским переворотом спина при прохождении атома через ноль магнитного поля.

Из анализа полученных данных дана оценка константы скорости переворота спина в результате магнитного диполь-дипольного взаимодействия атомов тулия в основном состоянии дт < см3с-1.

о 4——i—■—i—■—i—1—'—-—i—

О 200 ÍOO 600 800 WOO Время, мс

Рисунок 7 — Зависимость числа атомов в МЛ от времени, Аппроксимация экспонентой (сплошная кривая) соответствует времени жизни 0.5 ±0,1 с.

В Приложениях подробно рассмотрены основные принципы лазерного охлаждения атомов (Приложение А), приведены результаты численного моделирования скорости захвата атомов тулия в МОЛ (Приложение Б) и даны параметры некоторых переходов в атоме тулия (Приложение В).

В Заключении обобщены основные результаты диссертации. |

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ниже перечислены основные научные результаты данной работы. 1. Впервые осуществлено лазерное охлаждение и захват более 10° атомов тулия в МОЛ, работающую на переходе

4/13(2F°)6s2 (J = 7/2, F = 4) 4/12(3tf5)5d3/26s2(J = 9/2,F = 5)

с длиной волны 410,6 нм. Наибольшее время жизни атомов в МОЛ составило 1,9 с.

2. Измерен коэффициент ветвления охлаждающего перехода по верхнему уровню, который равен (3± 1) х 1СГ7.

3. Показано, что при субдоплеровских температурах атомов в МОЛ перекачивающее излучение, осуществляющее оптическую накачку атомов с подуровня F = 3 на подуровень F = 4 основного состояния, не влияет на время жизни и число захваченных атомов в МОЛ.

4. Продемонстрировано субдоплеровское" охлаждение атомов тулия в МОЛ вплоть до температуры 25 ± 5 мкК. Столь низкие температуры обусловлены совпадением факторов Ланде уровней охлаждающего перехода.

5. Осуществлен захват охлажденных атомов тулия в МЛ, образованную квадрупольным магнитным полем МОЛ. Из анализа скорости потерь получена оценка на константу скорости диполь-дипольного взаимодействия между атомами в основном состоянии дт < 10-11см3с-1.

Публикации автора по теме диссертации

1. Sukachev, D. Magneto-optical trap for thulium atoms [Text] / D. Sukachev, A. Sokolov, K. Chebakov [et al.] // Phys. Rev. A. — 2010. — Vol. 82,- P. 011405.

2. Сукачев, Д. Д. Субдоплеровское охлаждение атомов тулия в магнитооптической ловушке [Текст] / Д. Д. Сукачев, А. В. Соколов, К. А. Че-баков [и др.] // Письма в ЖЭТФ. - 2010. - Т. 92, № 92. - С. 772-776.

3. Sukachev, D. Laser cooling of thulium atoms [Text] / D. Sukachev, K. Chebakov, A. Sokolov [et al.) // Optics and Spectroscopy. — 2011. — Vol. Ill, № 4,- P. 633-638.

4. Сукачев, Д.Д. Магнитная ловушка для атомов тулия [Текст] / Д.Д. Сукачев, А.В. Соколов, К.А. Чебаков [и др.] // Квантовая Электроника. - 2011. - Т. 41. - С. 765-768.

5. Сукачев, Д. Д. Субдоплеровское лазерное охлаждение атомов тулия в магнито-оптической ловушке и магнитное удержание атомов тулия в низкоградиентной магнитной ловушке [Текст] / Д. Д. Сукачев, А. В. Соколов, Н. Н. Колачевский [и др.] // Напосистемы: физика, химия, математика. — 2012. — Т. 3, № 1. — С. 125-131.

Список литературы, цитируемой в автореферате

[1] Phillips, W. D. Nobel Lecture: Laser cooling and trapping of neutral atoms [Text] / W. D. Phillips // Rev. Mod. Phys. - 1998. - Jul. - Vol. 70. - P. 721741.

[2] Риле, Ф. Стандарты частоты. Принципы и приложения [Текст] / Ф. Риле. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2009.- 512 с.

[3] Peters, A. Measurement of gravitational acceleration by dropping atoms [Text] / A. Peters, K. Y. Chung, S. Chu // Nature. - 1999. - Vol. 400, № 6747. - P. 849-852.

[4] Weiner, J. Experiments and theory in cold and ultracold collisions [Text] / J. Weiner, V. S. Bagnato, S. Zilio, P. S. Julienne // Rev. Mod. Phys. - 1999. -Jan.-Vol. 71. - P. 1-85.

[5] Köhler, Т. Production of cold molecules via magnetically tunable feshbach resonances [Text] / T. Köhler, К. Göral, P. S. Julienne // Rev. Mod. Phys. — 2006. - Vol. 78. - P. 1311-1361.

[6] Ketterle, W. Nobel lecture: When atoms behave as waves: Bose-Einstein condensation and the atom laser [Text] / W. Ketterle // Rev. Mod. Phys. -2002. - Nov. - Vol. 74,- P. 1131-1151.

[7] Romalis, M. V. New limit on the permanent electric dipole moment of 199Hg [Text] / M. V. Romalis, W. C. Griffith, J. P. Jacobs, E. N. Fortson // Phys. Rev. Lett. - 2001. - Mar. - Vol. 86. - P. 2505-2508.

[8] Колачевский, Н.Н. Прецизионная лазерная спектроскопия холодных атомов и поиск дрейфа постоянной тонкой структуры [Текст] / Н.Н. Колачевский // УФН. - 2008. - Т. 178. — С. 1225-1235.

[9] Clairon, A. Ramsey resonance in a Zacharias fountain [Text] / A. Clairon, C. Salomon, S. Guellati, W. D. Phillips // EPL (Europhysics Letters).— 1991.— Vol. 16, № 2,- P. 165.

[10] Rosenband, T. Frequency ratio of Al+ and Hg+ single-ion optical clocks; Metrology at the 17th decimal place [Text] / T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt [et al.] // Science. - 2008. - Vol. 319, № 5871. - P. 1808-1812.

[11] Baranov, M. Ultracold dipolar gases — a challenge for experiments and theory [Text] / M. Baranov, L. Dobrek, K. Goral [et al.] // Physica Scripta. — 2002. — Vol. 2002, № T102. - P. 74.

[12] Kolachevsky, N. Blue laser cooling transitions in Tm I [Text] / N. Kolachevsky, A. Akimov, I. Tolstikhina [et al.] // Applied Physics B: Lasers and Optics. —

2007. - Vol. 89. - P. 589-594.

[13] Александров, E. Б. Неуширяемая столкновениями линия тулия 1,14 мкм. [Текст] / Е. Б. Александров, В. Н. Котылев, К. П. Василевский, В. Н. Ку-лясов // Оптика и спектроскопия. — 1983. — Т. 54, № 1. — С. 3-4.

[14] Campbell, G. К. Imaging the Mott insulator shells by using atomic clock shifts [Text] / G. K. Campbell, J. Mun, M. Boyd [et al.] // Science. - 2006. - Vol. 313. - P. 649-652.

[15] Choi, K. S. Mapping photonic entanglement into and out of a quantum memory [Text] / K. S. Choi, H. Deng, J. Laurat, H. J. Kimble // Nature.—

2008. - Vol. 452, № 7183. - P. 67-71.

Подписано в печать 09.09.2013 г. Формат 60x84/16. Заказ №50. Тираж 100 экз. П.л 1,25. Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 499 783 3640

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук

Сукачёв Денис Дмитриевич Лазерное охлаждение атомов тулия. Специальность: 01.04.21 Лазерная физика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель Член-корр. РАН, д.ф.-м.н.

04201362880

На правах рукописи.

6

Колачевский Н. Н.

Москва, 2013 г.

Содержание

Введение......................................................................4

Глава 1. Магнито-оптическая ловушка для атомов тулия..........9

1.1. Загрузка атомов тулия в МОЛ........................................9

1.2. Экспериментальная установка ........................................11

1.2.1. Лазерная система................................................11

1.2.2. Вакуумная часть................................................13

1.2.3. Оптическая схема ..............................................13

1.2.4. Стабилизация частоты лазера..................................17

1.2.5. Испарительная печь............................................20

1.2.6. Система регистрации............................................20

1.2.7. Импульсная схема..............................................22

1.3. Время жизни и число атомов в МОЛ ................................24

1.3.1. Динамика числа атомов в МОЛ ..............................24

1.3.2. Влияние столкновений..........................................26

1.3.3. Оптические потери в МОЛ. Коэффициент ветвления охлаждающего перехода........................................29

1.3.4. Число атомов в МОЛ. «Темная» МОЛ........................31

1.3.5. Влияние перекачивающего лазера............................33

1.4. Основные результаты Главы 1 ........................................38

Глава 2. Субдоплеровское охлаждение атомов тулия.......39

2.1. Охлаждение за счет градиента поляризации ........................39

2.2. Влияние магнитного поля..............................................41

2.3. Метод измерения температуры........................................45

2.4. Эксперимент ............................................................47

2.4.1. Последовательность импульсов................................47

2.4.2. Выключение магнитного поля ................................48

2.4.3. Обработка изображений........................................48

2.5. Основные результаты Главы 2 ........................................53

Глава 3. Магнитная ловушка для атомов тулия...........54

3.1. Принципы работы......................................................54

3.2. Наблюдение МЛ........................................................57

3.3. Пространственный профиль концентрации атомов в МЛ..........58

3.4. Температура атомов в МЛ..............................................60

3.5. Число атомов, время жизни и влияние столкновений в МЛ .... 62

3.6. Основные результаты Главы 3 ........................................65

Заключение.................................66

Благодарности...............................67

Список сокращений............................68

Список литературы............................69

Список иллюстративного материала..................83

Приложения................................85

A. Лазерное охлаждение ....................................................85

Б. Принципы работы МОЛ..................................................94

B. Параметры некоторых переходов в атоме тулия............106

Введение

Диссертация посвящена лазерному охлаждению, захвату в магнитооптическую и магнитную ловушку атомов тулия (Тш), а также их субдопле-ровскому охлаждению. Работа выполнена в Лаборатории оптики активных сред ФИ АН, где ведутся исследования по созданию оптических часов нового поколения.

Лазерно-охлажденные атомы в современных исследованиях

Лазерное охлаждение атомов и их захват в магнито-оптическую ловушку (МОЛ) являются на сегодняшний день одним из самых распространенных методов получения и исследования ансамблей атомов при температурах ниже 1мК [1]. Они находят свое применение в прецизионной лазерной спектроскопии [2], атомной интерферометрии [3, 4], в изучении атомных взаимодействий при малых скоростях [5, 6] и синтезе холодных молекул [7]. С использованием МОЛ получают бозе-эйнштейновские конденсаты (БЭК) атомов и вырожденные ферми газы [8, 9, 10, 11, 12, 8]. Холодные атомы широко используют при решении фундаментальных задач, например, проверке основополагающих физических теорий [13] и измерении фундаментальных констант [14]. На основе методов лазерного охлаждения созданы атомные реперы частоты: от первого цезиевого фонтана [15] до оптических часов на А1+ [16]. Относительная нестабильность лучших оптических часов достигла Ю-18, что открывает перспективы их использования в системах спутниковой навигации и в астрономических исследованиях.

Для решения таких задач требуются атомные ансамбли с температурой на порядок величины меньшей той, что обычно достигается в МОЛ. В таких

случаях широкое применение находит субдоплеровское охлаждение (см. Главу 2), позволяющее охладить атомы практически до предела отдачи [17]. Такие ансамбли атомов могут быть с большой эффективностью загружены в относительно неглубокие ловушки, создаваемые магнитными [18, 19] или световыми полями [20, 21, 22]. Магнитные ловушки позволяют исследовать взаимодействия атомов в основном состоянии, что важно для задач бозе-эйнштейновской конденсации атомов.

К настоящему моменту удалось охладить все щелочные (например, Шэ, Се) и щелочно-земельные металлы (например, Эг), все инертные газы в мета-стабильном состоянии (кроме 11п), некоторые другие элементы (1п, А1). Данная область бурно развивается, начиная с 2008 года были охлаждены Ег [23], Сс1 [24], 11а [25], Ь^ [26] и Бу [27, 28]. Лазерное охлаждение любого нового элемента является серьезной исследовательской задачей, т.к. требует точного знания системы уровней, наличия у данного элемента сильного циклического перехода и доступности подходящих лазерных источников. Диссертационная работа посвящена лазерному охлаждению нового элемента — редкоземельного атома тулия.

Атом тулия

Атом тулия имеет специфическую электронную структуру характерную для большинства лантаноидов: незаполненную 4/ оболочку, расположенную внутри заполненных внешних 5з2 и 6й2 оболочек. Благодаря этому лантаноиды. в частности тулий, обладают большими угловым и магнитным моментами в основном состоянии. Такие системы интересны с точки зрения изучения магнитных диполь-дипольных взаимодействий [29, 30, 31, 32, 33, 34] и исследования

систем фермионов с большим угловым моментом [35].

Электронная структура основного состояния атомов тулия имеет вид [Хе]4/136з2. Благодаря одной вакансии в 4/ оболочке основное состояние тулия обладает большим магнитным моментом 4

Существует только один стабильный изотоп тулия 169Тт. У этого изотопа спин ядра равен / = 1/2, в результате чего сверхтонкая структура каждого электронного уровня представляет собой дублет.

На Рисунке 0.1 представлена упрощенная схема уровней атома тулия. Значения уровней энергий (без сверхтонкого расщепления) и вероятности переходов были взяты из базы МБТ [36]; величины сверхтонкого расщепления основного уровня и уровня 4/12(3Я5)5с?з/2б82, 3 = 9/2 взяты из работы [37], а уровня 4/12(3Я6)5сг5/2б52, 3 = 9/2 - из [38, 39].

4Г2(Ч,)5с13/гб52, Г = 9/2 24349 см"' Т = 16 НС

Р' = 4

1857 МГц

4Г2(3Н6) Бс15/гб52, \

18837 см'' т = 440не

4Г36б2, 1 = 5/2 8771 см" т = 0.13 с

4Г(2Р°)б5г, .1 = 7/2

Канал потерь

Бс)б5, .1 = 9/2 23941 см"'

Бс15/гб52, J = 7/2 23873 см

Бс1б5, J = 7/2 23335 см

Бс1б5, 1 = 11/2 22560 см"

6б26р1/2, J = 11/2 22468 см"

Бс!б5, J = 9/2 22420 см"

Рисунок 0.1 — Упрощенная схема уровней Тт. Переход Р = 4 —► .Р' = 5 используется для лазерного охлаждения, а переход Р = 3 —> = 4 для возврата населенности с уровня Р = 3 на уровень Р = 4.

Тонкая структура основного состояния Тт [Хе]4/136з2(^°) состоит из двух подуровней (см. Рисунок 0.1) с полным электронным моментом 3 = 7/2

и 3 — 5/2. Узкий магнито-дипольный переход на длине волны 1,14 мкм и со спектральной шириной 1,2 ± 0,4Гц [37], связывающий эти подуровни, может быть использован в метрологических целях [40] (см. Приложение В), в фундаментальных исследованиях [41] и в задачах квантовой информации [42, 43, 44].

В 2008 году в Лаборатории оптики активных сред ФИАН был продемонстрирован зеемановский замедлитель атомов тулия [45], работающий на переходе

4/13(2^°)б52 (7 = 7/2, ^ = 4)

(0.1)

4/12(3Я5)54/2б52^ = 9/2,^ = 5) с длиной волны 410,6 нм. Именно этот переход использовался для лазерного охлаждения и захвата атомов тулия в МОЛ. Естественная ширина перехода составляет 7 = Г/27Г = 10,5 ± 0,2 МГц [37], что соответствует доплеровскому пределу температуры Тд = 240 мкК. Параметры этого перехода представлены в Таблице 2.

Охлаждающий переход не является циклическим: верхний уровень 4/125с?з/2бз2 («/' = 9/2, Р' = 5) может распадаться на шесть близко расположенных уровней противоположной четности (см. Рисунок 0.1). Численные расчеты показали, что относительная вероятность такого распада (т.е. коэффициент ветвления) мала [37] (< Ю-5) и не должна препятствовать охлаждению и захвату, что подтверждено успешными экспериментами с зеемановским замедлением пучка атомов тулия [45].

Для создания оптических часов на атомах тулия необходима реализация глубокого лазерного охлаждения и захвата большого числа атомов тулия в ловушку.

Целью данной работы являлось:

1) Лазерное охлаждение и захват атомов тулия в магнито-оптическую ловушку, работающую на переходе с длиной волны 410,6 нм. Измерение основных параметров облака холодных атомов тулия: температуры, числа атомов, концентрации атомов и времени жизни. Измерение коэффициента ветвления охлаждающего перехода.

2) Исследование возможности работы тулиевой магнито-оптической ловушки без использования перекачивающего излучения.

3) Осуществление субдоплеровского охлаждения атомов тулия.

4) Захват охлажденных атомов тулия в магнитную ловушку. Исследование потерь атомов из магнитной ловушки и оценка константы скорости переворота спина в результате магнитного диполь-дипольного взаимодействия атомов тулия в основном состоянии.

Глава 1. Магнито-оптическая ловушка для атомов тулия

Для проведения большого числа исследований необходимо локализовать лазерно охлажденные атомы (см. Приложение А) в определенной области пространства. Для достижения этой цели используются МОЛ. Они получили широкое распространение благодаря своей надежности и относительной простоте конструкции. МОЛ состоит из комбинации квадрупольного магнитного поля и шести лазерных лучей определенной конфигурации. Впервые МОЛ была реализована в 1987 году [46].

1.1. Загрузка атомов тулия в МОЛ

В отличии, например, от атомов рубидия, имеющих большое давление паров при комнатной температуре, давление паров тулия ничтожно мало (см. Рисунок 1.1), поэтому загрузка атомов тулия МОЛ осуществлялась из атомного пучка, получаемого нагреванием металлического тулия до температуры ~1000°С (Тплав = 1545°С, Ткип = 1947°С), что обеспечивало достаточное давление паров (порядка 10_1мбар).

В Приложении Б показано, что в МОЛ могут захватываться только атомы, имеющие скорость меньше скорости захвата ус. Для характерных параметров созданной МОЛ скорость захвата составляет 15 -г- 25 м/с (см. Рисунок Б.4). Однако, при температуре ~1000°С в тепловом распределении будет очень мало медленных атомов (у которых у < ус) и загрузка МОЛ будет происходить крайне неэффективно. Для исправления этой ситуации используют метод зеемановского замедления атомов [50], позволяющий затормозить атомный пучок до нулевой скорости.

5; со

0 СХ а с:

01

з: си

<СЗ О

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Температура, °С

Рисунок 1.1 — Зависимость давления насыщенных паров Tm, Er и Yb от температуры (|47] Глава 6, [48]); для сравнения приведено давление паров атомов Rb. Сплошные линии — аппроксимация законом Antonie [49]: р[мбар] = ехр ^а — jx^q)- Яля коэффициенты получились следующие: а= 18, 6=243000, с—236. Вертикальные пунктирные линии указывают температуры плавления Тпл и кипения Гкип атомов тулия.

Ранее в Лаборатории оптики активных сред был реализован зеемановский замедлитель атомов (см. Приложение Б), в котором 1% от общего числа атомов в пучке тормозился до скоростей 25 м/с и уже мог быть захвачен в МОЛ. Мощность пучка света, направляемого в зеемановский замедлитель, составляла около 15 мВт при диаметре 2.5 мм и красной частотной отстройке от охлаждающего перехода 157 (7 — ЮМГц) [45]. Скорость 25 м/с является компромиссом между желанием иметь как можно больше атомов со скоростью v < vc и необходимостью, чтобы поперечный размер пучка замедленных атомов был меньше характерного размера лазерных пучков МОЛ (см. Приложение Б).

В печи происходит сублимация металлического тулия в вакуум, поэтому полное число атомов в пучке сильно зависит от температуры печи и площади

101

10"

10

-2.

10

-4.

10

10'

-6

I I 1 1

W • 1 1

W У ■ 1 1 _у

т / 1 /"1 1 1 иХш~- - 1 Tm — Гг

/ / / A 1 1 1

I / 1 1 1 1 Yb— Г) L

■ Т / г I 1 1 I . |

" ......... f 1 1 1 1 ш — Hb

V / ; 1 1 д т _ 794 7 °С

Y / / кип \

т 1 7 j Т =14 1 1! L4°r Ii

! Г 7 ■ /7/7 Т II I -U-U_

поверхности загруженного в нее металлического тулия. Следовательно, число заторможенных атомов, а с ним число атомов, захваченных в МОЛ, тоже сильно зависит от указанных параметров.

1.2. Экспериментальная установка

Для захвата атомов Тт использовалась МОЛ в классической конфигурации [46]. Оптическую патоку образовывали три ортогональные пары противоположно направленных лучей циркулярной поляризации (см. Приложение Б). Для создания в центре камеры необходимого для работы МОЛ градиента магнитного поля порядка 20 Гс/см использовались две катушки в антигельмголь-цевской конфигурации; суммарная индуктивность катушек составляла 4,5 мГн, а общее сопротивление равнялось 2,5 Ом. Три дополнительные пары катушек в гельмгольцевской конфигурации применялись для компенсации лабораторного магнитного поля. На Рисунке 1.2 представлена схема экспериментальной установки.

1.2.1. Лазерная система

Источником света служил титан-сапфировый (Ti:Sapphire) лазер (MBR-110, Coherent Inc.), работающий в одночастотном режиме на длине волны 821,2 нм. Частота излучения этого лазера удваивалась в кристалле трибората лития (LBO), расположенном во внешнем резонаторе (MBD-200, Coherent Inc.). Накачкой для титан-сапфирового лазера служил лазер Verdi V-10 (Coherent Inc.), выдававший в непрерывном режиме 7Вт мощности на длине волны 532 нм. На выходе из удвоителя мощность света на длине волны 410,6 нм составляла более 60 мВт.

Рисунок 1.2 — Схема экспериментальной установки. ТМН — турбомолекулярный насос Variaii Turbo-V 301 Navigator; ФН — форвакуумный насос Varían SH-110: ТСЛ — кольцевой одночастотный титан-сапфировый лазер Coherent MBR ЗЛО; J1H —лазер накачки Coherent Verdi V-10; ВУЧ — впутрере-зонаторный удвоитель частоты Coherent MBD-200; ИДВ — интерференционный измеритель длины волны Angstrom WM5; ФЭУ — фотоэлектронный умножитель (Hamamatsu): ПЗС — ПСЗ-камера SDU-205 фирмы СиецТелеТехника; АОМ — акусто-онтический модулятор света; Л/2 — полуволновая фазовая пластинка на 410,6 нм; Л/4 —четвертьволновая фазовая пластинка на 410,6 нм; ПДП — поляризационный делитель пучка. Область MOJI откачивается ион-геттерным насосом (на Рисунке не изображен); Д1 и Д2— диафрагмы, формирующие атомный пучок; ДЗ — диафрагма, уменьшающая засветку ФЭУ; ЦТ — цилиндрический телескоп, исправляющий астигматизм лазерного пучка после удвоителя MBD.

Конструкция титан-сапфирового лазера предусматривает стабилизацию частоты относительно внешнего резонатора, что приводит к сужению спектральной ширины линии генерации до 50 кГц (согласно спецификации) при времени усреднения 100 мс. Благодаря этому лазер обладает высокой (достаточной

для данной работы) кратковременной стабильностью. Однако, для долговременной стабильной работы МОЛ необходимо компенсировать дрейф частоты лазера. Для этого применялся метод фазово-модуляционной спектроскопии насыщения [2, стр. 272] в кювете с парами тулия (см. п. 1.2.4).

1.2.2. Вакуумная часть

Схема вакуумной части экспериментальной установки приведена на Рисунке 1.3. Для создания дифференциального вакуума использовалась диафрагма Д1{2), расположенная между вакуумной камерой 1 и вентилем 11. Низковакуумная часть, состоящая из испарительной печи 5, привязочной кювета (не указана на Рисунке 1.3) и зеемановского замедлителя 5, откачивались турбомо-лекулярным насосом (300 л/с) до давления 5 х 10~7мбар. Камера МОЛ 1 (высоковакуумная часть) откачивалась ион-геттерным насосом (Varian Vaclon Plus 55) 2 до давления меньшего, чем 5 х 10_9мбар1. Получению высокого вакуума также способствует тот факт, что пленка атомов тулия (и других редкоземельных атомов), которая напыляется на внутренние стенки вакуумной камеры, является хорошим геттером, в том числе и для водорода [51, 52].

1.2.3. Оптическая схема

Лазерный пучок после удвоителя частоты имеет большой астигматизм (см. Рисунки 1.5 и 1.4). Размер перетяжек пучка по горизонтали и вертикали составляет соответственно 0,66 мм и 0,3 мм (по уровню 1/е2), расстояние между перетяжками 1,1м.

Для исправления астигматизма был установлен телескоп из цилиндрических линз (/i = —100 мм, /2 = 200 мм), который увеличил размер вертикальной

1Это значение — нижний предел чувствительности используемого датчика вакуума Varian FRG 702.

К турбомолекуляр-ному насосу

Рисунок 1.3 — Схема вакуумной установки. 1 — основная вакуумная камера, 2 — ион-геттерный насос, 3 — зеемановский замедлитель, 4 — антигельмгольцевские катушки МОЛ, 5 — испарительная печь, 6 — контур водяного охлаждения, 7,8 — датчики вакуума Уагіап ПЮ 702, 9 — лазерный пучок зеемановсокго замедлителя, 10 — лазерные пучки МОЛ. 11 — вентиль, 12 — крест, используемый, в том числе, для юстировки пучка зеемановского замедлителя. 13 — порт для подключения ПЗС-камеры, 14 — порт для подключения ФЭУ.

перетяжки в 2 раза (см. Рисунок 1.4). Чтобы со