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 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 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

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 d<0 attrazione verso il fuoco per d>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) 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 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) 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 Metastable CO

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

Rivelazione delle molecole fredde tramite fotoionizzazione REMPI (resonant enhanced multiphoton ionization) tempo di volo

Spettroscopia REMPI banda “diffusa” ad alta T: a 3Su (2) 3Pg A bassa T: presenza di struttura C.Gabbanini et al, Phys.Rev.Lett. 84, 2814 (2000)

Misura della temperatura delle molecole fredde: rivelazione delle molecole rimaste dopo un intervallo di tempo Espansione balistica

Formazione di molecole di tripletto di Rb2 per fotoassociazione nello stato a lungo range 0g-

Struttura rotazionale: molecole fredde anche rotazionalmente stato v=0

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