DE1798413B2 - Anordnung zur Beobachtung der Ausrichtung von Quantensystemen. Ausscheidung aus: 1423462 - Google Patents
Anordnung zur Beobachtung der Ausrichtung von Quantensystemen. Ausscheidung aus: 1423462Info
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Description
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 Quanlensysteme hindurchtretenden,
zweckmäßig 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 wirkt zur 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 Lichtstrahls durch ausgerichtete Quantensysteme ist
es bekannt gewesen, die Ausrichtung durch Beobachtung der emittierten Resonanzstrahlung auf Grund
optischen Pumpens zu beobachten, was als Resonanzfluoreszenz bezeichnet wurde (Journal de Physique
et Ie Radium, 1950, Seite 255 ff.). Durch einen Zufall wurde bei einem Experiment dieser Art festgestellt,
daß die Verwendung eines Puffergases die zur Beobachtung der Ausrichtung benötigte Lebensdauer des
betreffenden Energieniveaus verbesserte, und daß sich ein Maximum der Verbesserungen bei 0,2 Torr
ergab; bei höheren Drücken ging die beobachtete Verbesserung wieder zurück (Compies Rendus, 1955,
Volume 241, S. 865 bis 867). Die Erscheinung wurde darauf zurückgeführt, daß der Grundzustand oder die
angeregten Zustände der benutzten Quantensysteme (Natrium-Atome), wahrscheinlich richtiger die verschiedenen
Unterniveaus dieser Zustände, bei höhe
ren Gasdrücken gestört werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
hochempfindliche Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, d. h. die Beobachtung der Aus-
richtung des Grundzustandes zu erleichtern und dazu diese Ausrichtung zu verbessern.
Der erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei höheren Puffergasdrücken
die Lebensdauer der Unterniveaus des
ίο Grundzustandes vergrößert wird, während die Lebensdauer
der ausgerichteten Unterniveaus des angeregten Zustandes stark herabgesetzt wird, so daß sich
eine nahezu statistische Verteilung der Besetzung der Ur.terniveaus des durch das optische Pumpen erreich-
is ten angeregten Zustandes ergibt.
Beide letztgenannten Folgen ergeben eine stärkere Ausrichtung des Unterniveaus des Grundzustandes,
so daß die Ausrichtung des Grundzustandes durch Erhöhung des Puffergasdruckes wesentlich leichter Ixobacntet
werden kann.
Auf Grund dieser Erkenntnis wird die eingangs genannte
bekannte Anordnung dadurch verbessert, daß. wie bei der Beobachtung der emittierten Resonanzstrahiung
auf Grund optischen Pumpens (Resonanz-
fluoreszenz) bekannt, die Quantensysteme mit einem Puffergas gemischt werden, und daß darüber hinaus
der Druck des P"ffpruases einen solchen Wert über
1 Torr hat, daß die für Übergänge zwischen den magnetischen Unterniveaus der optisch angeregten Zu-
stände maßgebliche Relaxationszeit kürzer ist als die
Zeit, die ein Quantensystem benötigt, um Strahlung auszusenden und wieder in seinen Grundzustand zurückzukehren.
Durch Wahl eines hohen Puffergasdruckes wird also die Resonanzstrahlung im wesentlichen unterdrückt
und statt dessen die Absorption der betreffenden Linie kräftig verstärkt, so daß die der Erfindung
zugrundeliegende Aufgabe auf diese Weise gelöst wird.
Anschaulich kann die Wirkungsweise des Puffergases in der Weise erläutert werden, daß durch die verhältnismäßig
geringe Anzahl der Quantensysteme im Verhältnis zu der Anzahl der Puffergasatome nur relativ
wenige Zusammenstöße der Quantensysteme
untereinander auftreten, so daß der Energieaustausch zwischen den Quantensystemen vernachlässigbar
wird; ferner wird durch den hohen Druck des Puffergases und damit die große Zahl der Zusammenstöße
von Quantensystemen mit Puffergasatomen verhindert, daß die Quantensysteme zur Wandung des sie
umschließenden Gefäßes gelangen und dort »entspannt« werden, d. h. ihre Anregungsenergie an die
Wand abgeben.
Als Quatensysteme kommen in erster Linie Alkaliatome
und Quantensysteme mit ähnlichen Termschemen in Frage, insbesondere das bei den Resonanzfluoreszenz-Experimenten
bereits früher verwendete Natrium.
Zur Auswahl des Puffergases ist es natürlich wesentlich, daß die Puffergasatome mit den verwendeten
Quantensystemen, also beispielsweise Natriumatomen, zusammenstoßen können, ohne daß 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
über den früher verwendeten Drücken 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 an Hand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigt
Fig. 1 ein Blockschema einer Anordnung, und
Fig. 2 das Termschema des Natriums mit Angabe
der hier interessierenden Übergänge.
Die in Fi;·. 1 dargestellte Anordnung weist eine
Spektrallampe 32 auf, die von einer Batterie 33 gespeist wird und optische Strahlung der Wellenlänge
589,6 ητι liefert. Die Lampe befindet sich an einem
nicht dargestellten Dewar-Gefäß. Die von der Lampe abgegebene Strahlung wird mittels piner Kondensorlinse
34 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 Gefäß 31
durchsetzt hat, mittels einer Linse 36 auf eine Fotozelle 37 gerichtet, deren Ausgangsspannung in einem
Breitbandverstärker 38 verstärkt und auf einem 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 30 Torr. Das Absortionsgefäß wird auf eine Temperatur von 130 bis 150° Cerhitzt, 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 von ungefähr 0,21 see für die Ausrichtung der Natriumatome.
Der tatsächliche Dampfdruck der Natriumatome betrug bei einer aasgeführten Anordnung
nach der Erfindung ungefähr 10 7 Torr, berechnet auf Grund 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 im Absorptionsgefäß betrugungefähr V10 der gesamten Innenfläche des Gefäßes,
so daß angenommen werden kann, daß unter den gegebenen Temperaturbedingunger. das Dampfdruckgleichgewicht
einigermaßen gut angenähert wurde.
Die Ausrichtung soll an Hand des in Fi g. 2 dargestellten Tcrmschemas von Natrium erläutert werden.
Der Grundzustand von Natriumatomen ist das Niveau 3251/2; mit Rücksicht auf die Spinquantenzahl tritt eine
Aufspaltung in zwei Hyperfeinstruktur-Zustände F=I und F= 2 auf. Im Magnetfeld H0, beispielsweise
das magnetische Erdfeld, wird der Hyperfeinstruktur-Zustand F= 1 in drei Zeemann-Unterniveaus
M= 0, ±1 aufgespalten, während der Zustand F= 2 in fünf Zeeman-Unterniveaus Ni= 0, ±1, ±2
aufgespalten wird. Diese Zeeman-Unterniveaus sind im Atomspektrum um die sogenannte Larmor-Frequenz
der Natriumatome im Mangetfeld H0 getrennt
Diese beträgt im Magnetfeld der Erde, das ungefähr V2 Gauß Stärke hat, etwa 350 kHz.
Entsprechend den Auswahlregeln der Quantentheorie bewirkt die zirkulär polarisierte Strahlung, wie
sie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben worden ist.
Übergänge zwischen dem Grundniveau 3251/2 und
dem energiereicheren Niveau 32P1/2 der Natriumatome,
die um die Wellenlänge 589,6 nm getrennt sind. Der Zustand 32P112 wird in zwei Hyperfeinstruktur-Zustände
F= 2 aufgespalten, wie in Fig. 2 dargestellt. Diese Zustände sind wiederum in drei bzw. fünf
Zeeman-Unterniveaus aufgespalten. In Anbetracht der Auswahlregel AM = + 1 absorbieren sämtliche
ao Natriumatome in den Zeeman-Unterniveaus des Niveaus
3'51/2 mit Ausnahme des Unterniveau>
M= + 2desHyperfeinstruktur-Niveaus F= 2Energie
der Wellenlänge 589,6 nm und werden dadurch auf das Niveau 32P111 angehoben. Die Atome in diese η
«5 höheren Niveaus können in die Unterniveaus des Grundzustandes zurückkehren, indem die erforderlichen
Energiequanten als Strahlung oder durch Zusammenstöße oder dergleichen Wngäügc abgegeix ■
werden, wobei die Gesetze der Quantentheorie es zulassen, daß die Atome unterschiedslos zu den verschiedenen
Unterniveaus zurückkehren. Dementsprechend gewinnen die nicht absorbierenden Unterniveaus
Af= +2 Atome auf Kosten der anderer: Unterniveaus, bis sich ein Sättigungszustand der Be
setzung oder eine Ausrichtung einstellt.
Die Stärke der absorbierten Strahlung wird mittels der Fotozelle 37 bestimmt; da die Stärke der Absorp
tion direkt dem Anteil der Natriumatome in den ab sorbierenden Unterniveaus des Grundzustandes
32S1/2 entspricht, aber nicht vom nichtabscrbierenden
Niveau M = + 2 vorbestimmt ist, bildet die Absorptionsmessung einen sehr brauchbaren Weg, um die
Ausrichtung der Atome in den Energiezuständen des Grundniveaus zu beobachten, und zwar sowohl quali tativ
als auch quantitativ.
Durch die Wirkung des Argons unter relativ hohem Druck werden Atome in dem nicht absorbierenden
Unterniveau M = + 2 des Grundzustandes daran gehindert, ihre Energie an andere Atome in anderen
Unterniveaus des Grundzustandes abzugeben, ebenso wie sie durch Zusammenstöße durch Puffergasaiome
daran gehindert werden, mit der Gefäßwand zusammenzustoßen und dort ihre Energie zu verlieren, so
daß sich die Zahl der Atome im Unterniveau M = + des Grundzustandes im Verhältnis zur Gesamtzahl der
Natriumatome sehr stark erhöhen kann, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Anordnung zur Beobachtung der Ausrichtung von Quantensystemen, wie Alkali-Atomen,
im dampf- oder gasförmigen Aggregatzustand durch optisches Pumpen, mit einem im wesentlichen
statischen Magnetfeld, einem durch die Quantensysteme hindurchtretenden, zweckmäßig
polarisierten Lichtstrahl, dessen Absorption ein Anzeichen für die Größe der Ausrichtung ist, und
einer Einrichtung zur Änderung der Ausrichtung, beispielsweise einem hochfrei1uenten Magnetfeld,
dadurch gekennzeichnet, daß die Quantensysteme in bei Beobachtung der emittierten
Resonanzstrahlung auf Grund optischen Pumpe ns (Resonanzfluoreszenz) bekannter Weise mit einem
Puffergas gemischt sind, und daß der Druck des Puffergases einen solchen Wert über 1 Torr
hat,da.T die für Übergänge zwischen den magnetischen
Unterniveaus der optisch angeregten Zustände maßgebliche Relaxationszeit kürzer ist als
die Zeit, die ein Quantensystem benötigt, um Strahlung auszusenden und wieder in seinen
Grundzustand zurückzukehren.
9 Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Puffergas Argon ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Argons 30 Torr
ist.
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