AU kursuskatalog arkiv

Moderne kvantefysik med atomer, ioner og lys ( efterår 2007 - 5 ECTS )

Rammer for udbud

• Uddannelsessprog: (se under Undervisnings- og arbejdsform)
• Niveau: Overbygningskursus
• Semester/kvarter: 2. kvarter
• Timer per uge:
• Deltagerbegrænsning:
• Undervisningssted: Århus
• Hovedområde: Det Naturvidenskabelige Fakultet
• Udbud ID: 6678

Formål

At give en introduktion til fysik i grænseområdet mellem atomfysik, kvanteoptik og condensed-matter fysik, som er et yderst aktivt felt såvel her på instituttet som på verdensplan. Eksperimenterne foretages typisk på en sky af atomer eller ioner, fanget i en fælde og kølet ned til ekstremt lave temperaturer eller ved brug af laserlyskilder med specielle kvantekorrelerede fotoner. Kurset vil derfor give en introduktion til forskellige laserkølingsteknikker, teknikker til at fange ioner og atomer, samt teknikker til frembringelse af ikke-klassiske tilstande af strålingsfeltet.

Indhold

I neutral-atom delen af kurset gennemgåes metoden til at lave kvantegasser af neutrale atomer, samt en række udvalgte moderne eksperimenter. Først opsummeres atomfysikken, der er nødvendig for den efterfølgende gennemgang af laserkøling, magnetiske fælder for neutrale atomer, og fordampningskøling. Dernæst diskuteres statistisk fysiske aspekter af atomare kvantegasser, herunder Bose-Einstein kondensation (BEC) og degenererede Fermi gasser. For BEC beskrives middelfeltsteorien, som er nødvendig for at forstå en række klassiske BEC eksperimenter. Endelig vil en række eksperimenter blive gennemgået, herunder interferens af atombølger og atom-lasere.

Ion-delen af kurset vil først fokusere på eksperimenter med få ioner omhandlende fundamental kvantefysisk, så som kvantespring, kvante-Zeno-effekten, kvantetilstands-præparation, dannelse af "sub/super radiant"-tilstande, samt kvantelogiske enheder, der kan benyttes til kvantecomputere.   Dernæst vil de ordnede strukturer, Coulomb-krystaller, som større samlinger af kolde ioner danner ved meget lave temperaturer blive behandlet. De forskellige rumlige strukturer af mono- og multi-komponent Coulomb krystaller vil blive diskuteret, og anvendelse af sympatisk kølede ioner i multi-komponent Coulomb krystaller i forbindelse med dannelse af kolde molekylioner og lyslagring blive gennemgået.

                  Endelig vil vi i delen omhandlende ikke-klassisk lys beskæftige os med det kvantiserede elektromagnetiske felt, herunder forskellige metoder til at karakterisere ikke-klassiske tilstande af lys og begreber som kvantestøj og kvantebits vil blive introducerede. Vi vil se på såkaldte "Squeezede" tilstande, Fock tilstande samt "Schrödinger's kat" tilstande, samt hvorledes disse kan produceres i kvanteoptiske eksperimenter. Herved vil nogle ikke-lineære optiske instrumenter som 2. harmonisk generatorer og optiske parametriske forstærkere blive gennemgåede. Endelig vil potentielle anvendelsesmuligheder for ikke-klassisk lys, især indenfor kvanteinforation, blive berørt igennem eksperimentelle emner som kvanteteleportation, kvantehukommelse og kvantekryptografi.

Læringsmål

Når kurset er færdigt forventes de studerende at kunne:

• forklare hvordan Doppler køling virker og dets begrænsninger
• redegøre for grundlæggende aspekter af atomare kvantegassers fysik, og kriterierne for at de dannes
• redegøre for hvordan man laver et Bose-Einstein kondensat, og principperne bag absorptionsafbildning
• redegøre for den middelfeltsteoretiske beskrivelse af Bose-Einstein kondensater, og dets forudsigelser for formen af, interferens mellem og hvirvelstrømme i sådanne kondensater.
• beskrive de fysiske principper bag forskellige typer af ionfælder
• redegøre for ion kølingsskemaerne sidebåndskøling og sympatisk køling  
• beskrive forskellige kvanteoptiske eksperimenter med få ioner
• gennemgå egenskaber og nogle anvendelser af store ion Coulomb-krystaller  
• redegøre for kvanteteorien for det elektromagnetiske felt
• beskrive følgende kvantetilstande af feltet samt disses egenskaber: kohærente tilstande, squeezede tilstande, Fock tilstande og kohærente superpositionstilstande
• redegøre for de ikke-lineære processer anden harmonisk generation og parametrisk nedkonvertering på kvantemekanisk niveau
• gennemgå de i kurset behandlede eksperimenter med ikke-klassisk lys

Faglige forudsætninger

Atom- og molekylfysik samt Introduktion til Kvantemekanik

Underviser

Michael Drewsen , Michael Budde og Jens Lykke Sørensen

Undervisnings- og arbejdsform

Forelæsninger, opgaveregning samt studenterpræsentationer.

Litteratur

Udleverede noter og artikler

Litteratur

Hand-out notes and articles.

Kursushjemmeside

http://www.aula.au.dk

Eksamensterminer

Eksamen: 2. kvarter

Reeksamen: Efter aftale med faglærer

Udbyder

Institut for Fysik og Astronomi

Tilmelding til undervisning

På Institut for Fysik og Astronomi

Bedømmelse

Mundtlig eksamen med bedømmelse efter 7-trinsskalaen. Intern censur.