Магнитооптические ловушки и оптические пинцеты

Магнитооптическая ловушка сочетает лазерное охлаждение с градиентом магнитного поля для удержания холодных атомов, в то время как оптические дипольные ловушки и пинцеты удерживают атомы или частицы, используя градиентную силу сфокусированного света.

Definition

Магнитооптическая ловушка — это устройство, которое одновременно охлаждает и удерживает нейтральные атомы, комбинируя встречно распространяющиеся лазерные лучи с градиентом магнитного поля, что делает силу радиационного давления зависящей от положения; оптический пинцет — это сильно сфокусированный лазерный луч, градиент интенсивности которого оказывает дипольную силу, удерживающую атом или микроскопическую частицу в фокусе.

Scope

Эта тема охватывает основные методы удержания холодных атомов: магнитооптическую ловушку, которая добавляет квадрупольное магнитное поле к оптической патоке для создания зависящей от положения возвращающей силы, и консервативные оптические дипольные ловушки и однолучевые оптические пинцеты, которые удерживают атомы в максимуме интенсивности сфокусированного, сильно расстроенного лазерного луча. В ней рассматриваются силы захвата, глубины ловушек и использование массивов пинцетов.

Core questions

• Как добавление градиента магнитного поля превращает оптическую патоку в ловушку?
• Какую роль играет эффект Зеемана в магнитооптической ловушке?
• Как оптическая дипольная сила удерживает атомы или частицы?
• Как отдельные атомы удерживаются и располагаются с помощью оптических пинцетов?

Key concepts

• Квадрупольный градиент магнитного поля
• Зависящее от положения радиационное давление
• Зеемановский сдвиг подуровней
• Оптическая дипольная сила
• Захват с сильной расстройкой
• Массивы оптических пинцетов

Key theories

Магнитооптическая ловушка

Квадрупольное магнитное поле Зееман-сдвигает атомные подуровни таким образом, что смещенные атомы рассеивают больше света от луча, толкающего их обратно к центру, создавая зависящую от положения возвращающую силу в дополнение к зависящему от скорости охлаждению оптической патоки.

Оптический дипольный захват и пинцеты

Сильно расстроенный сфокусированный лазерный луч индуцирует осциллирующий диполь в атоме или диэлектрической частице; для красной расстройки результирующая дипольная сила притягивает ее к максимуму интенсивности, что позволяет осуществлять консервативный захват и манипуляции, как продемонстрировал Эшкин.

Clinical relevance

Магнитооптическая ловушка является стандартной отправной точкой для почти всех экспериментов с холодными атомами, включая атомные часы и квантовые симуляторы, в то время как оптические пинцеты позволяют создавать массивы отдельных атомов для квантовых вычислений на нейтральных атомах и, в биофизике, манипулировать клетками и биомолекулами.

History

Эшкин был пионером оптического захвата частиц, продемонстрировав однолучевую градиентную ловушку (оптический пинцет) в 1986 году, работа, отмеченная долей Нобелевской премии по физике 2018 года. В следующем году Рааб, Притчард, Чу и коллеги реализовали магнитооптическую ловушку, которая быстро стала универсальным инструментом для сбора холодных атомов.

Key figures

• Arthur Ashkin
• Steven Chu
• David Pritchard
• Jean Dalibard

Seminal works

• raab1987
• ashkin1986

Frequently asked questions

В чем разница между магнитооптической ловушкой и оптической дипольной ловушкой?

Магнитооптическая ловушка использует диссипативную силу радиационного давления плюс магнитный градиент для одновременного охлаждения и удержания атомов. Оптическая дипольная ловушка использует консервативную дипольную силу сильно расстроенного луча для удержания атомов без охлаждения, часто после того, как они уже были охлаждены лазером.

Как оптические пинцеты могут захватить один атом?

Сильно сфокусированный, сильно расстроенный в красную сторону лазер создает микроскопическую потенциальную яму в своем фокусе, достаточно глубокую, чтобы удерживать один атом. Загрузка часто организуется таким образом, что столкновения, вызванные светом, выталкивают пары, оставляя ровно ноль или один атом на пинцет.