Raffreddamento laser ed intrappolamento
di atomi e molecole
C.Gabbanini
Istituto per i Processi Chimico-Fisici del CNR
Sommario:
Meccanismi di raffreddamento e di intrappolamento di
atomi tramite laser:
Raffreddamento Doppler
Trappola Magneto-ottica
Raffreddamento sub-Doppler
Condensazione di Bose-Einstein
Meccanismi di raffreddamento di molecole:
Raffreddamento criogenico
Raffreddamento Stark di molecole polari
Fotoassociazione
Sviluppo del laser cooling






Proposto nel 1975 (Hansch e Schawlow)
Primi esperimenti di raffreddamento fasci atomici (1985)
Melassa ottica (1986)
Trappola magneto-ottica da fascio (1987), da vapore (1990)
Condensazione di Bose-Einstein (1995)
Prime applicazioni alle molecole (1998)
Premio Nobel per la Fisica 1997
Laser cooling di atomi
S.Chu, C.Cohen-Tannoudji, W.Phillips
Premio Nobel per la Fisica 2001 Condensazione di Bose-Einstein
E.Cornell, C.E.Wieman, W.Ketterle
Laser cooling di atomi
Pressione di radiazione:
scambio di momento tra
fotoni ed atomi
circa 107 cicli/s di
assorbimento + emissione
spontanea
Fma x

 k
2
a  10 3  10 5 g
Il processo richiede
transizioni “chiuse” ovvero
che la popolazione non si
disperda su altri livelli
Per centro di massa fermo nel caso unidimensionale si usano 2
fasci laser contropropaganti con detuning negativo
 L   L   At  0
FDoppler   Doppler v
Doppler cooling
 Estensione a 3 dimensioni: “melassa ottica”
3 coppie di fasci contropropaganti nelle direzioni x y z
Forza di tipo viscoso
Nessun confinamento spaziale
Trappola magneto-ottica:
raffreddamento+confinamento spaziale
3 coppie di fasci
contropropaganti nelle
direzioni x y z con opportune
polarizzazioni e in presenza
di un gradiente di campo
magnetico
Schema di funzionamento in
1 dimensione per
transizione J=0 - J=1
(c.magnetico lineare lungo x)
Assorbimento preferenziale
dal fascio opposto alla
direzione del moto
F   v  k x
Apparato sperimentale per
trappola magneto-ottica (MOT)
Laser di ripompa necessario per
evitare pompaggio ottico nel
livello iperfine non risonante
esempio: all’IPCF MOT Rb
107 atomi
densita’ n= 1010-1011 cm-3
T=100mK
Altri tipi di trappole si basano sulla forza dipolare
(meccanismo non dissipativo al contrario della pressione di radiazione)
Trappola ottica: per <0 attrazione verso il fuoco
per >0 repulsione dal fuoco
Nel caso di atomi con spin polarizzati si possono usare anche trappole
magnetiche
Doppler cooling: la temperatura limite e’ il bilancio tra il
meccanismo di raffreddamento Doppler e meccanismi di
riscaldamento (ridistribuzione di fotoni)

TDmin 
2K B
In una trappola magneto-ottica si possono raggiungere
temperature sub-Doppler: meccanismo di raffreddamento per
gradiente di polarizzazione. La risultante della polarizzazione
nei due casi qui sotto varia spazialmente.
Es: caso polar.lineari perpendicolari (moto di Sisifo): gli atomi
assorbono preferenzialmente al valore massimo del potenziale,
quindi “scalano” il potenziale e perdono energia cinetica
Con questi metodi si puo’ raggiungere la temperatura limite del
rinculo di un singolo fotone
2
k BTmin
k2

2m
Ci sono metodi (VSCPT) per andare al di sotto di tale limite.
Se si raggiunge una densita’ nello spazio delle fasi sufficiente si puo’
raggiungere la condizione per la condensazione di Bose-Einstein
(BEC)
n3  2.612
  (2
2
/ mkB T)1/ 2
La condizione puo’ essere raggiunta applicando oltre alle tecniche
finora illustrate il raffreddamento evaporativo, basato su collisioni e
successiva ritermalizzazione.
Quando un gas raggiunge la condizione di BEC , le funzioni d’onda
degli atomi collassano in una singola funzione d’onda (massima
coerenza)
Laser cooling per molecole non funziona a causa della
complessa struttura dei livelli elettronici, vibrazionali
e rotazionali
La popolazione si disperde in vari livelli, sarebbe
necessaria una quantita’ di laser di ripompa non
realistica
Metodi per raffreddare molecole:
• Metodo tradizionale ( T> 1 K):
fasci molecolari supersonici
temperatura rotazionale < 10 K
temperatura vibrazionale < 100 K
Riducendo la temperatura: formazione di cluster
• Molecole fredde ( T > 1 mK):
– buffer gas cooling
– decelerazione Stark
• Molecole ultrafredde (T < 1 mK):
fotoassociazione
Buffer gas cooling
 Raffreddamento di molecole per collisioni con 3He
criogenico
 Intrappolamento delle molecole paramagnetiche in
una trappola magnetica di quadrupolo ad alto campo
Es: 108 molecole di CaH intrappolate a T=400 mK
dopo ablazione laser di un bersaglio solido di CaH2
Weinstein et al, Nature 395, 148 (1998)
Decelerazione Stark per molecole polari
Le molecole aventi dipolo
permanente interagiscono
con campo elettrico. Applicando
una serie di impulsi agli elettrodi
si produce un rallentamento
delle molecole in fase.
Bethlem et al, Phys.Rev.Lett. 83, 1558 (1999)
CO metastabile
Molecole fredde per fotoassociazione
Due atomi freddi in collisione
assorbono un fotone formando
una molecola eccitata. La
molecola eccitata puo’ decadere
in diversi modi:
1) decadimento in 2 atomi “caldi”
2) assorbire un altro fotone e
(auto)ionizzare
3) predissociare
4) decadere in una molecola stabile
e traslazionalmente “fredda”
Le molecole formate sono:
a) traslazionalmente fredde
b) rotazionalmente fredde
c) vibrazionalmente calde
Ruolo degli stati a lungo range
Stati molecolari con minimo a grande distanza internucleare
 Fotoassociazione su tali stati aventi punto di Condon
interno a distanza intermedia favorisce il decadimento
in molecole (meta)stabili
Apparato
sperimentale
PA laser: laser di
fotoassociazione
dye laser: laser di
fotoionizzazione
I2 cell
Fabry-Perot
PA LASER
to wavemeter
MOT
D
Y
E
channeltron
Trapping and repumping lasers
N
d
Y
A
G
Rivelazione delle molecole fredde tramite fotoionizzazione
REMPI (resonant enhanced multiphoton ionization)
IONIZATION SCHEME
tempo di volo
+
Rb
2
+
Ions
Rb + Rb
v=0
0
1
2
3
t
5S + 4D
5S + 5P
3/2
5S + 5S
(10 -6 s)
4
5
Spettroscopia REMPI
 banda “diffusa” ad alta T:
a 3Su
(2) 3Pg
A bassa T: presenza di struttura
85
+
Ion yield (arb. units)
Rb2
87
+
Rb2
*
+
Rb
600
602
604
 (nm)
606
C.Gabbanini et al, Phys.Rev.Lett. 84, 2814 (2000)
608
610
Misura della temperatura delle molecole fredde:
rivelazione delle molecole rimaste dopo un intervallo di tempo
c.w. lasers on
pulse d laser
de lay
c.w. lasers off
time
Espansione balistica
0.8
ions
(t)/N
ions
(t=0)
1
0.6
m
m
0.4
0.2
m
0
0
2
4
6
8
t (ms)
10
12
14
Formazione di molecole di tripletto di Rb2 per
fotoassociazione nello stato a lungo range 0g-
-3
-2
L ( cm
-1
-1
)
0
Struttura rotazionale:
molecole fredde anche rotazionalmente
12788.55
Rb2
J=4
J=2
85
J=0
Ion yield (arb. units)
J=2
J=4
J=6
stato v=0
87
Rb2
12788.60
12788.65
wavenumber (cm
12788.70
-1
)
12788.75
Applicazioni di molecole fredde
 Spettroscopia molecolare ad alta risoluzione
 Collisioni atomo/molecola e molecolari
 Condensato di Bose-Einstein molecolare
 Ottica molecolare e deposizione controllata
 Misure di violazione della parita’
 Quantum computing