DE1798413A1 - Anordnung zur Beobachtung der Ausrichtung von Quantensystemen - Google Patents

Anordnung zur Beobachtung der Ausrichtung von Quantensystemen

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    • H03L7/26—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using energy levels of molecules, atoms, or subatomic particles as a frequency reference

Description

K1AlEfOANWALi;
DR. CLAUS REINUNOER ■ · -
DIFL-ING. KLAUS BERNHARDT '*· ΛΛ »7l
D-I MÖNCHEN 60 17QPAI^
SÄCKERSTIAS3E 3 « 'W* ' * V1 P266 D
VARIAN ASSOCIATES
Palo Alto, California
V. St. v. Amerika
Anordnung zur Beobachtung der Ausrichtung von Quantensystemen
Priorität: 28. März 1957, USA, Serial No. 649 190
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Beobachtung der Ausrichtung von Quantensystemen im dampf- oder gasförmigen Aggregatzustand durch optisches Pumpen.
Eine solche Anordnung ist bekannt, sie ist mit einem durch die Quantensysteme hindurchtretenden, zvreckmäßig polarisierten Lichtstrahl ausgestattet, dessen Absorption ein Anzeichen für die Größe der Ausrichtung ist. Bei dieser bekannten Anordnung ist zur Ausrichtung selbst noch ein Polarisationsfeld in Form eines unidirektionalen Magnetfeldes vorgesehen, und zusätzlich virtetzur Änderung der Ausrichtung noch ein hochfrequentes Magnetfeld auf die Quantensysteme ein (The Physical Review, Volume 103, No. 4, Seiten 1125 bis 1126, 15. August 1956).
Vor dieser Beobachtung der Absorption eines Lichtstrahle durch ausgerichtete Quantensysteme ist es bekannt gewesen, di· Aua-
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richtung durch Beobachtung der emittierten Resonanzstrahlung aufgrund optischen Puapens zu beobachten, was als Resonanzfluoreszenz bezeichnet wurde (Journal de Physique et Ie Radium, 1950, Seite 255 ff.). Durch einen Zufall wurde bei einen Experiment dieser Art festgestellt, daß die Verwendung eines Puffergases die zur Beobachtung der Ausrichtung benötigte Lebensdauer des betreffenden Energieniveaus verbesserte, und da0 sich ein Maximum der Verbesserungen bei 0,2 Torr ergabj bei höheren Drucken ging die beobachtete Verbesserung wieder zurück (Comptes Rendus, 1955, Volume 241, Seiten 865-667). Die Erscheinung wurde darauf zurückgeführt, daß der Grundzustand oder die angeregten Zustände der benutzten Quantensysteme (Natriura-Atorae), wahrscheinlich richtiger die verschiedenen Unteraiveaus dieser Zustände, bei höheren Gasdrucken gestört werden.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Erkenntnis zugrunde, daß bei höheren Puffergasdrucken die Lebensdauer der Unterniveaus des Grundzustandes vergrößert wird, wMhrend dit Lebensdauer der ausgerichteten ünterniveaus des angeregten Zustand« stark herabgesetzt wird, so daß sich «ine nahezu statistische Verteilung der Besetzung der Unterniveaus des durch das optische Pumpen erreichten angeregten Zustandes ergibt.
Beide letztgenannten Folgen ergeben eine stärker· Ausrichtung des Unterniveaus des Grundzustandes, so daß die Ausrichtung des Grundzustandes durch Erhöhung des Puffergasdruckes wesentlich leichter beobachtet werden kann.
Aufgrund dieser Erkenntnis wird die eingangs genannte bekannte Anordnung dadurch verbessert, daß, wie bei der Beobachtung der emittierten Resonanzstrahlung aufgrund optischen Pumpen* (Rtsonaaxfluorasztnz) bekannt, dit Qmanttnajrstwa alt «inta Puff tr» gas gemischt werden, und daß darüber hiaaus dtr Dxmck da·
Puffergases einen solchen Wert über 1 Torr hat, daß im wesentlichen die magnetische Relaxationszeit der Alkaliatome im durch optisches Pumpen erreichten angeregten Zustand kürzer ist als die Zelt, die ein Atom benötigt, um Strahlung auszusenden und wieder in seinen Grundzustand zurückzukehren. Durch Wahl eines zu hohen Puffergasdruckes wird also die Re-sonanzstrahlung im wesentlichen unterdrückt und stattdessen die Absorption der betreffenden Linie kräftig verstärkt, ac daß die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine empfindliche Anordnung zur Beobachtung der Ausrichtung vor, Quanten- «ysteinen der eingangs genannten Art zu schaffen, auf diese V ei se gexosx v/lrd.
Anschaulich kann die Wirkungsweise des Puffergases in der 1YeIRe erläutert werden, daß durch die verhältnismäßig gerinre Anzahl der Quantensysteme im Verhältnis zu der Anzahl der P1Xffergasatome nur relativ wenige Zusammenstöße der Qv.ap.tensy ?>ehnje untereinander auftreten, so daß der Energiecustausch *wisel;en den Quantensystemen vernachlässigbar wird ; ferner vi.rd fiurch den hohen Druck des Puffergases, und dar:it die it~cBe Zahl der Zusammenstöße von Quantensystemen mit Puffer- :. sst^sn verhindert; daß die Quantensysteme zur >/*::/tdun£ ύ'*? sie rn*ch.1.1 eScmden G^f^ßcs gelangen und dort ■entp.v5*nrit:'i vy·*- !an, ri.as heißt ihre Anregungsenergie an die Wand abgeben.
/..■·.< O-.:antensysteme konmen in erster Linie Alkeliat.-me und Q..ant.r.nsysteme mit ähnlichen Termscheraen infrag*:·, :nsbssond?r? "" i v' 1 den Resonenzfluoreszenz-Bxperimenten h<»rei*; s frfTner ■rwe1- de te Ns tr ium.
Pixffergaaes ist es natürlich vftsenvlich. ■-...■■;. ■■*.-■.£ ΐ iffergftsatoffi« mit den verwendeten Quantensyst^Qen^ el cn
zus&srmenatoSen k&xr^:., c^# << ·■.
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der Zustand des Spins des Grundzustandes des betreffenden Quantensystems gestört wird. Besonders bewährt hat sich als Puffergas Argon in Verbindung mit Natriumatomen, aber auch mit den übrigen Alkaliatomen.
Der Druck des Argons kann beispielsweise 30 Torr betragen, also um mehr als zwei Größenordnungen Ober den früher verwendeten Drucken liegen, natürlich hängt der optimale Druck vom Partialdruck der Quantensysteme, von der Art der Quantensysteme und der Art des Puffergases selbst ab.
Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschema einer erfindungsgemäSen Anordnung; und
Fig. 2 das Termschema des Natriums mit Angabe der hier interessierenden übergänge.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung weist eine Spektrallampe 32 auf, die von einer Batterie 33 gespeist wird und optische Strahlung der Wellenlänge 589,6 nm liefert. Die Lampe befindet sich an einem nicht dargestellten <■ Dewar-Gefäö. Als Natriumdampflampe ist beispielsweise der Typ NA-1 der Firme: General Electric Company geeignet; wenn mit Kalium statt Natrium gearbeitet werden soll, kann beispielsweise eine Kaliura-Spektrallampe der Firma Osrae verwendet werden. Die von der Lampe abgegebene Strahlung wird mittels einer Kondensorlinse J4 durch einen Zirkularpolarisator 35 in ein Absorptionsgefäß 31 gerichtet. Die Strahlung liegt parallel zu einem polarisierenden Magnetfeld H0 und ist zirkulär im Uhrzeigersinn polarisiert, gesehen von der Lampe 32 in Richtung zum Gefäß 31* Die Strahlung von der Lampe 32 wird, nachdem sie das Gefl0.'51 durchsetzt
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hat, mittels einer Linse 36 auf eine Fotozelle 37 gerichtet, deren Ausgangsspannung in einem Breitbandverstärker 38 verstärkt und auf einen Oszillographen 45 und/oder einem Schreiber 39 angezeigt wird.
Das Absorptionsgefäß 31 hat einen Inhalt von etwa 1 Liter und enthält eine geringe Menge metallisches Natrium, im Gleichgewicht mit dem vorhandenen Natriumdampf, und Argon unter einem Druck von etwa 300 Torr. Das AbsorptionsgefSß wird auf· eine Temperatur von 130 bis 1500C erhitzt, so daß der Lichtstrahl von der lampe 32 zu etwa 50 % absorbiert wird. Durch das als Puffergas für die Natriumatome verwendete Argon ergibt sich eine Relaxationszeit yon ungefähr 0,21 see. für die Ausrichtung der Natriumatome. Der tatsächliche Dampfdruck der Natriumatome betrug bei einer ausgeführten Anordnung nach der Erfin-
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dung ungefähr 10 Torr, berechnet aufgrund der Lichtabsorption und unter der Annahme, das Gleichgewicht zwischen der Absorption durch die Glaswände und Verdampfung von der Metalloberfläche nicht erreicht wurde. Die Oberflächenbedeckung bei bis Jetzt verwirklichten Anordnungen nach der Erfindung durch Alkalimetall i» Absorptionsgefäß betrug ungefähr 1/10 der gesamten Innenfläche des Gefäßes, so daß angenommen werden kann, daß unter den gegebenen Temperaturbedingungen das Dampfdruckgleichgewicht einigermaßen gut angenähert wurde.
Die Ausrichtung soll anhand des in Fig. 2 dargestellten Termschemas von Natrium erläutert werden. Der Grundzustand von Natriumatomen ist das Niveau 3Sw2; mit Rücksicht auf di· Spinquanteniahl tritt eine Aufspaltung Im zwei üyperfeinstruktur-Zustände F»1 und F*2 auf. In Magnetfeld H0, beispielsweise das magnetische Erdfeld, wird der Hyperfeinstruktur-Zuetand Ρ·1 in drei Zeeman-Unterniveaus M»0, ±1 aufgespalten, wahrtnd der Zustand F-2 in fünf Zeeman-Üntemireaus M-O, ±1, +2 aufge-
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spalten wird. Diese Z.eeman-Uhterniveaus sind im Atomspektrum um die sogenannte Larmor-Frequenz der Natriumatome im Magnetfeld H0 getrennt. Diese beträgt im Magnetfeld der Erde, das ungefähr 1/2 Gauss StSrke hat, etwa 350 kHz.
Entsprechend den Auswahlregeln der Quantentheorie bewirkt die zirkular polarisierte Strahlung, wie sie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben worden ist, übergänge zwischen dem Grund-
2 ?
niveau 3 Sw2 "1^ dem energiereicheren Niveau 3 P-,/? der
• Natriumatome, die um die Wellenlänge 589,6 nm getrennt' sind, ρ
Der Zustand 3 P-/? wird in zwei Hvperfeinstrnktur-Zustände Ff2 aufgespalten, vie in Fig. 2 dargestellt. Diese Zustände sind wiederum in drei bzw. ftlnf Zeeman-Untemlveaus aufgespalten. In Anbetracht der Auswahlregel ΔΜ=+1 absorbieren sämtliche Natriumatome in den Zeeman-Unterniveaus des Niveaus
ρ
3"S mit Ausnehme des Unterniveaus M=+2 des fi^erfeinstruktur-Niveaus F=2 Energie der Wellenlänge 589,6 nm und werden dadurch auf das Niveau 3 P1 /p angehoben. Die Atome in diesen höheren Niveaus können in die Unterniveaus des Grundzustandes zurückkehren, indem die erforderlichen Energiequanten als Strahlung oder durch Zusammenstöße oder dergleichen Vorgänge abgegeben werden, wobei die Gesetze der Quantentheorie es zulassen, daß die Atome unterschiedslos zu den verschiedenen Unterniveaus zurückkehren· Dementsprechend gewinnen die nicht absorbierenden Unterniveaus H=+2 Atome auf Kosten der anderen Unterniveaus, bis sich ein Sättigungszustand der Besetzung oder eine Ausrichtung einstellt.
Die Stärke der absorbierten Strahlung wird mittels der Fotozelle 37 bestimmt? da die Stärke der Absorption direkt dem An teil e'er Natriumatome in den absorbierenden Unternlvtaus des Grundzustandes 32S1/2 entspricht, aber nicht von nichtabsorbierenden Niveau H=+2 vorbestineit ist, bildet die Absorptions-
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I-i*>/<!v:"1·' '■■■ ■- · ■■' '~f ■■ BAD ORIGINAL
messung einen sehr "brauchbaren Weg, um die Ausrichtung der Atome in den Energiezustanden de» Grundniveaus zu beobachten, und zwar sov/ohl qualitativ als auch quantitativ.
Durch die Wirkung des Argons unter relativ hohem Druck xerden Atome in dem nicht absorbierenden Unterniveau M=+2 des Grundzustandes daran gehindert, ihre Energie an andere Atome in andoren Unterniveaus des Grundzustandes abzugeben, ebenso vie sie durch Zusammenstöße durch Puffergasatomen daran gehindert werden, mit der Gefäßwand zusammenzustoßen und dort ihre Energie zu verlieren, so daß sich die Zahl der Atome im Unterniveau M=+2 des Grundzustandes im Verhältnis zur Gesamtzahl der Natriuraatcise üchr stark erhöhen kann, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist.
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Claims (4)

V1 P266 D Patentansprü c h e
1. Anordnung zur Beobachtung der Ausrichtung von Quantensystemen im dampf- oder gasförmigen Aggregatzustand durch optisches Pumpen, mit einem durch die Quantensysteme hin-
. durchtretenden, zweckmäßig polarisierten Lichtstrahl, ,dessen α Absorption ein Anzeichen für die Größe der Ausrichtung ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantensysteme in bei Beobachtung der emittierten Resonenzstrahlung aufgrtind optischen Pumpens (Resonenzfluoreszenz) bekannter^ise mit einem Puffergas gemischt sind, und daß der Druck des Puffergases einen solchen Wert Ober 1 Torr hat, daß im wesentlichen die magnetische Relaxationszeit der Alkaliatome im durch optisches Pumpen erreichten angeregten Zustand kürzer ist als die Zeit, die ein Atom benötigt, um Strahlung auszusenden und wieder in seinen Grundzustand zurückzukehren.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich P net, daß die Quantensysteme Alkali-Atome, insbesondere Natrium-Atome sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daS das Puffergas Argon ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Argons 30 Torr ist.
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