冷原子實驗之基本原理 (i)

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冷原子實驗之基本原理 (I). 韓殿君 國立中正大學物理系 2003 年 8 月 5 日 於理論中心. Outline. Introduction Works on the Degenerate Bose Gas Cooling, Trapping, and Manipulating Tools BEC Behavior Remarks on the Current BEC Experiments and Future Directions. Introduction. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: 冷原子實驗之基本原理 (I)

冷原子實驗之基本原理 (I)

韓殿君

國立中正大學物理系

2003 年 8 月 5 日 於理論中心

Page 2: 冷原子實驗之基本原理 (I)

• Introduction

• Works on the Degenerate Bose Gas

• Cooling, Trapping, and Manipulating Tools

• BEC Behavior

• Remarks on the Current BEC Experiments and Future Directions

Outline

Page 3: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Introduction

• Brief History of Bose-Einstein condensation (BEC)

• Special Features of Dilute Bose condensates (Why dilute is important?)

Page 4: 冷原子實驗之基本原理 (I)

玻色-愛因斯坦凝聚現象之發現

Kapitza Cornell KetterleWieman

1938年,卡匹薩(Kapitza)與麥斯納(Misener)首度發現液態氦(4He)中形成超流體之現象,即由玻色-愛因坦凝聚所造成.

1995年,藉雷射冷卻及蒸發冷卻之助,康乃爾(Cornell),魏曼(Wieman),與凱特立(Ketterle)分別達成氣態銣原子與鈉原子之玻色-愛因斯坦凝聚.

Page 5: 冷原子實驗之基本原理 (I)

d B

低 溫 時 d < d

“ 波 包 ” 行 為

低 溫 時 d < d

“ 波 包 ” 行 為

達 到 臨 界 溫 度 時 T = T c :“ 玻 色 – 愛 因 斯 坦 凝 聚 “

d ≧ d“ 物 質 波 重 疊 ”

達 到 臨 界 溫 度 時 T = T c :“ 玻 色 – 愛 因 斯 坦 凝 聚 “

d ≧ d“ 物 質 波 重 疊 ”

相 空 間 密 度n p 1 ! !

量 子 簡 併 態 ( q u a n t u m d e g e n e r a t e r e g i m e ) ! !量 子 簡 併 態 ( q u a n t u m d e g e n e r a t e r e g i m e ) ! !

高 溫 時熱 運 動 速 度 v

d < < d“ 彈 珠 ” 行 為

高 溫 時熱 運 動 速 度 v

d < < d“ 彈 珠 ” 行 為

d

v

Tph

d1

Page 6: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Goal to achieve?

Momentum space p: Cooling: lower T → larger d

Coordinate(Position) space r: Trapping: increase n → smaller d

spatial density

Phase Space!!

nphase 1 !!≧

Page 7: 冷原子實驗之基本原理 (I)

氣態玻愛凝聚體之特色

• 達到較液態氦更低之溫度與密度1.原子之間作用力更小、更單純(甚至趨近於理想氣體),也更容易進行理論上之計算.

2.達成全然之物質波系統變為可能.

• 達到更長(數十秒以上)巨觀物質波之生命期

1. 更易於研究其中之物理2.未來之實際應用變為可能

Page 8: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Works on the Degenerate Bose Gas

Weakly Interacting Bose Gas

Feshbach Resonance ( a knob tuning the interactions!!)

Low Dimension

Strongly Correlated Boson Systems

Mott InsulatorQuantum Entanglement

Phase fluctuations Phase fluctuationsTonks Gas

SuperfluidityVortices

Excitation

SuperfluidityVortices

Excitation

CoherenceInterferenceAtom Laser

Cold Molecules

NonlinearityNonlinearity

Multi- Species

Page 9: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Cooling, Trapping, and Manipulating ToolsTools: Electric and magnetic fields (DC and AC ) EM waves – photons (visible, IR, microwave …)

Systems: Atomic ensembles (atom number: 103 – 109) Macroscopic size: 5 – 500 m

Ultrahigh vacuum environment (very little impurities) Ultralow temperatures ( 1 K)

• No physical wall• Quiet and almost no defect potentials (as in the texbooks)

are possible

Page 10: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Magnetic Trapsnot all the states are Trappable!!

Please see the other file!

Page 11: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Optical Dipole Trap

|E0(x)|2

x

F(x)

z

x

x

|E0(x)|2

F(x)

z

x

“scattering force”

“dipole force”

near resonance light!

far-detuned light light!

Page 12: 冷原子實驗之基本原理 (I)

BEC Behavior

Starting from the

Gross-Pitaevskii equation!!

Page 13: 冷原子實驗之基本原理 (I)

M e a n - F i e l d T h e o r y o f B o s e C o n d e n s a t e s

222

),(4

)(2

tNm

aV

m trap rr

a < 0 原 子 間 作 用 為 吸 引 力 凝 聚 體 呈 不 穩 定

a > 0 原 子 間 作 用 為 排 斥 力 凝 聚 體 呈 穩 定

a 主 宰 波 函 數 之 尺 度 , 形 狀 , 與 激 發 頻 率 . . 等

利 用 磁 場 與 光 場 , 有 可 能 調 變 a ! !

S - 波 散 射 長 度( s - w a v e s c a t t e r i n g l e n g t h )

凝 聚 體 平 均 場 理 論 之 H a m i l t o n i a n“internal energy”or “mean field energy”

Page 14: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Time-Evolution of a Wavefunction in Free Space

MIT, 1996

凝聚體於自由空間中隨時間膨脹

a → f (時間增加)

Page 15: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Thomas-Fermi Regime

• NBEC > 105 atoms Thomas-Fermi regime

kinetic energy << internal energy

• Cloud shape inverted paraboloid

neglected!

Kanstanz,1998

Page 16: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Phase transition (Lambda Point)

JILA, 1996

condensate fraction

energy per particle (Bose gas)

Page 17: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Remarks on the

Current BEC Experiments

and Future Directions

Page 18: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Collective Mode Excitations

JILA, 1996

Page 19: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Sound Propagation

MIT, 1997

Page 20: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Superfluidity and Vortices

MIT, 2000

critical velocity in a superfluid

MIT, 2002

Votex lattice

condensate

laser beam

(a line-like excitation)

Page 21: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Skyrmions in a Multicomponent BEC - point-like excitation

Utrecht, 2001

NOT YET realizedexperimentally!!

Page 22: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Two-Component Condensates

JILA, 1997

Page 23: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Spinor Condensates

MIT, 1999

Page 24: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Coherence and Correlation

1st order correlation MIT, 1996

3rd order correlationJILA, 1997

interference betweentwo condensates

three-body recombination rate

Page 25: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Superradiant Rayleigh Scattering

MIT, 1999

Page 26: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Matter Wave Amplification

NIST, 1999

Page 27: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Nonlinear Atom Optics - Four Wave Mixing

NIST, 1999

Page 28: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Bright Solitons

Rice, 2002Dark solitons were also observed! (NIST, 1999)

Page 29: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Fechbach Resonaces- a tuning tool for atom-atom interaction

1 g+

3 u+

F = 2 & F = 2

F = 3 & F = 3

2S1/2 & 2S1/2

E

20 R (aB)400 60

–0.5 cm–1

0 cm–1

–1 cm–1

kdB

MIT,1998

Page 30: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Optical Lattices

Page 31: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Quantum Phase Transition

超流態轉變為非超流態 (Mott 絕緣態 )之量子相變 Max-Planck Institute, 2002

Page 32: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Quantum Entanglement (proposed idea)

(b)

(a)

x01 x0

2

xb2(t)

xa2(t)xb

1(t) xa1(t)

簡易之二位元量子邏輯閘(two-qubit logic gate)

Innsbruck, 1999

凝聚體原子於光晶格中進行量子糾纏 (quantum entanglement)

Page 33: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Low Dimension Atom Traps

1D traps: large aspect ratio in one direction with the other two optical dipole trap and magnetic Ioffe traps are available

2D (surface) Traps: optical dipole trap and magnetic traps are available too

Page 34: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Phase Fluctuations (1D trap)

Orsay, 2003

Bragg spectroscopy in momentum space

Hannover, 2001

stripes on1D traps (different aspect ratios)

Page 35: 冷原子實驗之基本原理 (I)

Unexpected New Physics!!