Naslov Synthetic Lorentz force for neutral cold atoms Naslov (hrvatski) Sintetička Lorentzova sila za neutralne hladne atome Autor Neven Šantić Mentor Ticijana Ban (mentor)Član povjerenstva Hrvoje Buljan (predsjednik povjerenstva)Član povjerenstva Ticijana Ban (član povjerenstva)Član povjerenstva Damir Aumiler (član povjerenstva)Ustanova koja je dodijelila Sveučilište u Zagrebu Datum i država obrane 2018-02-15, Hrvatska Znanstveno / umjetničko PRIRODNE ZNANOSTI Univerzalna decimalna klasifikacijaUDC ) 53 - Fizika Sažetak Presented in this thesis are results of research on two topics in the field of cold atoms. These topics are connected by the fact they both employ laser induced forces caused by momentum transfer from photons to atoms. In both cases the laser induced forces change the velocity distribution of the atomic ensemble. In the first part of the thesis a new way to implement a synthetic Lorentz force into a cold atomic gas is presented. The synthetic Lorentz force (SLF) is based on radiation pressure and the Doppler effect, making it straightforward to implement in a large volume, for a broad range of velocities, and can be extended to different geometries. The force is perpendicular to the velocity of an atom, and zero for an atom at rest. This SFL is experimentally demonstrated in a system of cold rubidium atoms in two scenarios: first, by observing the center-of-mass motion of a cold atomic cloud and second, by observing the angular deflection of a rotationally asymmetrical cloud when released from a magneto-optical trap. The introduction of synthetic magnetism into the system of cold thermal atoms makes it an excellent candidate to emulate numerous complex classical systems, for example a tokamak fusion reactor or a star. In the second part of the thesis, the possibility of laser cooling with a frequency comb (FC) is explored. For this purpose a scheme for full stabilization of a fiber based FC that does not require traditional self-referencing is developed and implemented; the repetition frequency is locked to a stable microwave reference while the offset frequency is indirectly stabilized by referencing the frequency comb to a continuous wave laser that is stabilized by polarization spectroscopy in rubidium vapor. The FC stabilized in this way is used to cool rubidium atoms on a dipole-allowed transition at 780 nm to sub-Doppler temperatures. Temperatures as low as 55 μK were measured in a one-dimensional FC cooling geometry using the time-of-flight method. Laser cooling with FCs could enable achieving sub-Doppler temperatures for atoms with dipoleallowed transitions in the vacuum ultraviolet. This can significantly improve the precision of optical frequency standards, enable measurements of fundamental constants with unprecedented accuracy, and open up the possibility to reach quantum degeneracy with atoms that have optical transitions unreachable by continuous wave lasers such as hydrogen, deuterium and antihydrogen.
Sažetak (hrvatski) U ovom doktorskom radu predstavljeni su rezultati istraživanja dvije različite tematike u području hladnih atoma. Ove dvije tematike su povezane činjenicom da se u obje koriste laserski inducirane sile uzrokovane prijenosom impulsa s fotona na atome. U oba slučaja laserski inducirane sile mijenjaju brzinsku raspodjelu atomskog ansambla. Rezultati predstavljeni u ovom radu su dobiveni radom u Laboratoriju za hladne atome na Institutu za fiziku u Zagrebu pod mentorstvom Ticijane Ban. Prve dvije i pol godine mojeg poslijediplomskoga studija istraživanja na kojima sam radio su bila dio projekta Pseudo-magnetic forces and fields for atoms and photons čiji voditelj je bio prof. Hrvoje Buljan s Fizičkog odsjeka Prirodoslovno-matematičkog fakulteta u Zagrebu. Preostalo vrijeme sam radio na projektu Frequency-Comb-induced OptoMechanics koji je u tijeku u trenutku pisanja ove radnje i čiji je voditelj Ticijana Ban sa Instituta za fiziku u Zagrebu. Spomenute dvije tematike istraživanja su se vezale na ova dva projekta. Ovaj rad je organiziran na sljedeći način. U uvodu, poglavlje 1, dan je kratki povijesni pregled istraživanja hladnih atoma i posljednjih dostignuća u području. U poglavlju 2 se nalazi teorijski pregled interakcije lasera i atoma što je temelj za obje prethodno spomenute tematike. Sličan pregled se može naći u literaturi [1], u ovom radu je uključen zbog cjelovitosti rada. Dva različita eksperimentalna postava, magneto-optičke stupice, su izrađena tokom izrade ovog rada. U poglavlju 3 je izložen njihov dizajn te su objašnjene specifičnosti oba postava. U poglavlju 4 predstavljen je novi način implementacije sintetičke Lorentzove sile za hladni atomski plin. Ova sintetička Lorentzova sila se temelji na tlaku zračenja i Dopplerovom efektu, što ju čini jednostavnom za implementaciju u velikom volumenu, za veliki raspon brzina te se može primijeniti na različite geometrije. Sila je okomita na brzinu atoma te iznosi nula za atome koji miruju. Sintetičku Lorentzovu silu demonstriramo na dva načina: prvo, promatramo gibanje centra mase oblaka hladnih atoma i drugo, promatramo za koliki kut se rotacijski nesimetričan oblak otklonio od početnog položaja pri ispuštanju iz magneto-optičke stupice. Uvođenjem sintetičkoga magnetizma u sistem hladnih termalnih atoma ovaj sistem postaje odličan kandidat za emulaciju brojnih kompleksnih klasičnih sistema, na primjer tokamak fuzijskog reaktora ili zvijezda. U poglavlju 5 istraživana je mogućnost laserskog hlađenja frekventnim češljem. U tu svrhu bilo je potrebno osmisliti i implementirati tehniku za potpunu stabilizaciju frekventnog češlja koji se temeljeni na optičkim vlaknima, i to na način koji ne koristi uobičajeno samo-referenciranje; frekvencija repeticije je stabilizirana pomoću vrlo stabilne mikrovalne reference, dok je frekvencija odmaka indirektno stabilizirana referenciranjem frekventnog češlja pomoću kontinuiranog lasera koji je pak stabiliziran pomoću polarizacijske spektroskopije u rubidijevim parama. Frekventni češalj stabiliziran na ovaj način je korišten za hlađenje atoma rubidija na dipol dozvoljenom prijelazu na 780 nm do sub-Dopplerovskih temperatura. Izmjerene su temperature do 55 μK prilikom hlađenja u jednoj dimenziji pomoću tehnike vremena proleta. Ovime je pokazano da bi se lasersko hlađenje frekventnim češljem može koristiti za postizanje sub-Dopplerovskih temperatura s atomima koji imaju dipol dozvoljene prijelaze u vakuum ultraljubičastom području. Ovo bi značajno unaprijedilo preciznost optičkih frekventnih standarda, omogućilo bi mjerenje fundamentalnih konstanti s do sad ne postignutom preciznošću te bi se omogućilo dobivanje kvantno degeneriranih uzoraka atoma koji imaju optičke prijelaze u spektralnim područjima koja nisu pokrivena s kontinuiranim laserima, kao što su na primjer vodik, deuterij i antivodik.
Ključne riječi
synthetic Lorentz force
neutral cold atoms
Ključne riječi (hrvatski)
sintetička Lorentzova sila
neutralni hladni atomi
Jezik engleski URN:NBN urn:nbn:hr:217:161024 Studijski program Naziv: Fizika Vrsta resursa Tekst Opseg III, 123 str. Način izrade datoteke Izvorno digitalna Prava pristupa Otvoreni pristup Uvjeti korištenja Datum i vrijeme pohrane 2018-03-02 12:12:12
