¿Por qué el bombeo óptico del rubidio requiere la presencia de un campo magnético?

Question

El experimento de bombeo óptico del rubidio requiere la presencia de un campo magnético, pero no entiendo por qué.

El principio básico del bombeo es que la regla de selección prohíbe la transición de $m_F=2$ del estado básico de ${}^{87} \mathrm{Rb}$ a estados excitados, pero no a la inversa ( $\vec{F}$ es el momento angular total del electrón y del núcleo). Tras varias rondas de absorción y emisión espontánea, todos los átomos alcanzarán el estado de $m_F=2$ de ahí el efecto de bombeo óptico.

Pero, ¿qué tiene que ver la división Zeeman con el bombeo óptico? Es cierto que el estado básico, incluso después de considerar la estructura fina y la estructura hiperfina, es degenerado sin desdoblamiento Zeeman, pero los estados con diferente $m_F$ todavía existe.

Además, ¿cómo es la fuerza de bombeo óptico ¿se relaciona con la intensidad del campo magnético aplicado?

Answer 1

Hay dos tipos de bombeo óptico posibles. El bombeo óptico hiperfino y el bombeo óptico Zeeman. Este último es bajo campo magnético cero y el primero requiere un campo magnético. La onda de espín (coherencia de estado básico) que se crea depende principalmente de la polarización de la luz que se utiliza y de su intensidad. Si se aumenta la intensidad del campo magnético, la separación entre los niveles Zeeman aumenta. Para valores grandes, se obtiene un efecto de "cruce de niveles".

¿Qué quiere decir con "fuerza del bombeo óptico"? Si te refieres a la redistribución de la población, entonces la fuerza del campo magnético por sí sola no desempeña ningún papel. Hay que tener en cuenta la naturaleza de la luz (intensidad, polarización, desintonización, coherencia) y la decoherencia del conjunto atómico también.

Otras aplicaciones:

En muchos experimentos que explotan la coherencia atómica, el uso de los niveles Zeeman (es decir, un sistema de 3 niveles que consiste en dos niveles Zeeman de estado básico del mismo estado hiperfino y el estado excitado) alivia el problema de requerir dos láseres idénticos. Se puede utilizar un láser (¡perfectamente correlacionado consigo mismo!) y desplazar su frecuencia en una pequeña cantidad utilizando un AOM (digamos 80Mhz) en lugar de 6,1 GHz entre los niveles de hiperfina del estado básico.

Answer 2

En un bombeo hiperfino se bombean átomos al otro nivel hiperfino, digamos que se aplica el láser al $F_g = 2 \rightarrow F_e = 2$ transición de la $^{87}$ Rb D $_1$ entonces los átomos del $F_e = 2$ decaerá a los dos niveles hiperfinos del estado básico $F_g=1,2$ y eventualmente será bombeado al $F_g = 1$ nivel.

En un esquema de bombeo Zeeman, la polarización del láser excitador es importante. Si se aplica, por ejemplo $\sigma^+$ láser polarizado a la misma transición $F_g = 2 \rightarrow F_e = 2$ entonces el número cuántico magnético cambia por $\Delta m = 1$ y el $m_g = +2$ subnivel no puede absorber la radiación excitante ya que no hay $m_e = +3$ subnivel en el estado excitado, ya que los átomos de los subniveles del estado excitado $m_e = +1,+2$ pueden y se descomponen espontáneamente en el subnivel $m_g = +2$ átomos que no han sido bombeados a $F_g = 1$ nivel por el bombeo hiperfino se bombean al $m_g = +2$ por el bombeo Zeeman.

¿Cuál es el papel del campo magnético? Yo diría que es necesario sólo para detectar que se han bombeado los átomos en $m_g = +2$ subnivel. Mientras todos los subniveles de Zeeman sean degenerados no se puede destiunguar el. Una vez que se aplica el campo magnético y se elimina la degeneración, se puede utilizar la radiofrecuencia para detectar los átomos, si se satisface la condición de igualdad para los desplazamientos de Zeeman antes de los subniveles magnéticos vecinos y la anergia del cuanto de radiofrecuencia $\Delta E = \mu_BgB = h\nu_{rf}$ entonces la frecuencia de radio induce transiciones de $\Delta m = \pm 1$ dentro del nivel hiperfino del estado básico y los átomos vuelven a los subniveles que pueden absorber la luz ( $m_g \neq +2$ ) permitiendo observar cierta fluorescencia o cambios en la absorción.

Answer 3

Aunque es demasiado tarde para responder, estaba buscando la respuesta y vi tu pregunta. Hoy he observado lo mismo a través de mis experimentos. Poner a cero el campo magnético impuesto hace que desaparezca el estado oscuro debido a una luz polarizada circularmente.

Mi razonamiento está relacionado con los conceptos más básicos de la mecánica cuántica; según mis conocimientos, es imposible medir un sistema (digamos la población atómica) sin cambiar ese sistema. De hecho, en ausencia de cualquier agencia externa, no hay dirección preferida y tenemos una simetría perfecta (por supuesto, prefecto no significa perfecto en realidad, pero es válido teniendo en cuenta nuestras restricciones experimentales para resolver la simetría rota). Por lo tanto, no hay dirección Z para los átomos. Por último, se puede observar el bombeo óptico y los estados oscuros sólo si se alinean los átomos en una dirección preferida que está definida por el campo magnético externo.

Answer 4

Supongamos que hay un campo magnético cero, y por lo tanto no hay desdoblamiento zeeman y no hay estados Mf Ahora supongamos que, en un sistema de dos niveles, se bombea el medio con un resonante de luz con desdoblamiento hiperfino entre el estado de tierra, Fg y el estado excitado Fe.

Supongamos que el átomo se excita de Fg a Fe, tiene que volver a caer a algún nivel, pero si ese nivel es igual al nivel desde el que se bombeó, está prohibido. Por lo tanto, el electrón nunca absorbería este fotón.

Sin embargo, si el nivel hiperfino Fg del estado básico se divide a su vez en niveles zeeman, el átomo puede ser bombeado desde uno de los niveles zeeman al nivel excitado y volver a caer en otro subnivel zeeman dependiendo de la polarización de la luz de bombeo.

Refiérete a esto: http://internal.physics.uwa.edu.au/~stamps/2006Y3Lab/SteveAndBlake/theoretical.html