Hợp tác nghiên cứu và chuyển giao công nghệ làm lạnh nguyên tử bằng laser

Đề tài Hợp tác nghiên cứu và chuyển giao công nghệ làm lạnh nguyên tử bằng laser thuộc công trình nghiên cứu khoa học hợp tác quốc tế theo nghị định thư với cộng hòa ba lan Làm lạnh nguyên tử bằng laser là lĩnh vực nghiên cứu mới và đây là lần đầu tiên được triển khai nghiên cứu ở Viêt Nam. Vì vậy, Nhiệm vụ “Hợp tác nghiên cứu và chuyển giao công nghệ làm lạnh nguyên tử bằng laser” đã đặt nên móng cho các nghiên cứu tiếp theo liên quan đến lĩnh vực này ởViệt Nam trong trương lai gần. Công nghệlàm lạnh nguyên tửbằng laser hiện đang được quan tâm nghiên cứu trên cảphương diện nghiên cứu cơbản và nghiên cứu ứng dụng. Hiện tại, các nghiên cứu về ứng dụng mới chỉthực hiện được ởtrong phòng thí nghiệm vì lý do kỹthuật. Theo nhận định của nhiều chuyên gia đầu ngành của thếgiới thì việc áp dụng công nghệ làm lạnh vào trong thực tiễn sẽ được thực hiện trong vòng 15-20 năm tới. - 16 -b. Hiệu quả về kinh tế xã hội: Nhiệm vụ Nghị định thư“Hợp tác nghiên cứu và chuyển giao công nghệ làm lạnh nguyên tửbằng laser” đã trực tiếp và gián tiếp thúc đẩy sự phát triển kinh tế xã hội trên các mặt sau đây: + Đào tạo nguồn nhân lực có trình độ sau đại học về lĩnh vực làm lạnh nguyên tử bằng laser nói riêng và quang học nói chung. + Nâng cao năng lực nghiên cứu khoa học, khả năng hợp tác quốc tếvà làm việc theo nhóm. c. Ứng dụng vào thực tiễn đời sống: Công nghệlàm lạnh nguyên tửbằng laser hiện đang được quan tâm nghiên cứu trên cả phương diện nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng. Hiện tại, các nghiên cứu về ứng dụng mới chỉ thực hiện được ở trong phòng thí nghiệm vì lý do kỹ thuật. Theo nhận định của nhiều chuyên gia đầu ngành của thếgiới thì việc áp dụng công nghệlàm lạnh vào trong thực tiễn sẽ được thực hiện trong vòng 15-20 năm tới. d. Đánh giá vềnăng lực và tính tiên tiến của đối tác: Ba Lan là một trong những nước đầu tiên trên thế giới thành công trong việc làm lạnh nguyên tử đến nhiệt độnano Kelvin để tạo ra hệ BEC. Chủ nhiệm phía đối tác - GS W. Jastrzebski là người có nhiều năm làm việc cùng với nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia (FAMO) của Ba Lan. Đây là nơi đầu tiên và duy nhất ởBa Lan thực hiện thành công làm lạnh nguyên tử đến trạng thái BEC. Bên cạnh đó, GS M. Trippenbach (cùng tham gia hợp tác trong Đề tài này) là người đã có nhiều năm nghiên cứu lý thuyết với nhà khoa học W. Phillip (người được trao giải Nobel Vật lý năm 1997 về làm lạnh nguyên tử). Vì vậy, việc hợp tác với các chuyên gia phía Ba Lan đã tạo điều kiện rất thuận lợi cho nhóm nghiên cứu của Đại học Vinh tiếp xúc với các nhà khoa học (thực nghiệm và lý thuyết) rất có uy tín của thế giới.

BỘ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Chủ nhiệm Nhiệm vụ: Cơ quan chủ trì Nhiệm vụ:

PGS.TS Đinh Xuân Khoa

Ban chủ nhiệm chương trình Bộ Khoa học và Công nghệ

DANH SÁCH CÁC CÁ NHÂN PHÍA VIỆT NAM THAM GIA THỰC HIỆN NHIỆM VỤ HỢP TÁC QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ THEO NGHỊ ĐỊNH THƯ

VỚI CỘNG HÒA BA LAN

Tên nhiệm vụ:

“Hợp tác nghiên cứu và chuyển giao công nghệ làm lạnh nguyên tử bằng laser”

Mã số: 03/2009/HĐ-NĐT

Thời gian thực hiện: 01/2009 đến 12/2010

Cơ quan chủ trì: Đại học Vinh Vinh

Chủ nhiệm: PGS.TS Đinh Xuân Khoa

TT Tên cá nhân đã tham gia

thực hiện Vai trò/nhiệm vụ Chữ ký

1 PGS.TS Đinh Xuân Khoa Chủ nhiệm,

phụ trách chung

2 PGS.TS Vũ Ngọc Sáu Nghiên cứu viên

3 TS Nguyễn Huy Bằng Nghiên cứu viên,

thư ký

4 TS Đoàn Hoài Sơn Nghiên cứu viên

5 TS Lưu Tiến Hưng Nghiên cứu viên

Vinh, ngày 26 tháng 07 năm 2011

Chủ nhiệm Nhiệm vụ Xác nhận của cơ quan chủ trì

PGS.TS Đinh Xuân Khoa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Vinh, ngày tháng năm 2011

BÁO CÁO THỐNG KÊ KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHỊ ĐỊNH THƯ

I THÔNG TIN CHUNG

1 Tên đề tài/dự án: “Hợp tác nghiên cứu và chuyển giao công nghệ làm

lạnh nguyên tử bằng laser”

Thuộc dự án khoa học và công nghệ theo Nghị định thư hợp tác quốc

tế với Cộng hòa Ba Lan

2 Chủ nhiệm đề tài/dự án:

Họ và tên: Đinh Xuân Khoa

Ngày, tháng, năm sinh: 06/06/1960 Giới tính: Nam

Học hàm, học vị: Phó giáo sư, tiến sỹ vật lý

Chức danh khoa học: Cán bộ giảng dạy

Chức vụ: Hiệu trưởng Trường Đại học Vinh

Điện thoại:

Tổ chức: 0383855529 Nhà riêng: 0383840527 Mobile: 0913518382 Fax: 84.38.3855269

E-mail: khoadhv@yahoo.com

Tên tổ chức đang công tác: Trường Đại học Vinh

Địa chỉ tổ chức: 182 Lê Duẩn, Vinh, Nghệ An

Địa chỉ nhà riêng: 37 Đặng Thái Thân, Vinh Nghệ An

3 Tổ chức chủ trì đề tài/dự án:

Tên tổ chức chủ trì đề tài: Trường Đại học Vinh

Điện thoại: 0383855529 Fax: 84.38.3855269

E-mail: vinhuni@vinh.uni.edu.vn

Website: www vinh.uni.edu.vn

Địa chỉ: Lê Duẩn, Vinh, Nghệ An

Họ và tên thủ trưởng tổ chức: Đinh Xuân Khoa

Số tài khoản: 931.01.0000014 tại kho bạc Nhà nước tỉnh Nghệ An

Tên cơ quan chủ quản đề tài: Bộ Giáo dục và Đào tạo

II TÌNH HÌNH THỰC HIỆN

1 Thời gian thực hiện đề tài/dự án:

- Theo Hợp đồng đã ký kết: từ tháng 01 năm 2009 đến tháng 12 năm

Thời gian (Tháng, năm)

Kinh phí (Tr.đ)

Ghi chú

(Số đề nghị quyết toán)

c) Kết quả sử dụng kinh phí theo các khoản chi:

Đối với đề tài:

- Lý do thay đổi (nếu có): không

3 Các văn bản hành chính trong quá trình thực hiện đề tài/dự án:

Số

TT

Số, thời gian ban

1 Quyết định cử đoàn đi công tác

nước ngoài (Đoàn ra 1)

Chuyến đi gồm có 03 người:

Đinh Xuân Khoa,

Vũ Ngọc Sáu Nguyễn Huy Bằng,

2 Quyết định tổ chức Hội thảo

Quốc tế về “Nguyên tử lạnh và phổ học laser”

Quyết định tổ chức Hội thảo và thành lập Ban tổ chức

3 Quyết định cử đoàn đi công tác

nước ngoài (Đoàn ra 2)

Chuyến đi gồm có 02 người:

Nguyễn Huy Bằng, Lưu Tiến Hưng

4 Tổ chức phối hợp thực hiện đề tài, dự án:

Nội dung tham gia chủ yếu

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Ghi chú*

1 Trường Đại

học Vinh

Trường Đại học Vinh

Chủ trì Nhiệm

vụ

Các sản phẩm chính

Phối hợp tổ chức Hội thảo quốc tế về

“Nguyên tử lạnh

và phổ học laser”

Tuyển tập các bài báo được đăng ở tạp chí nước ngoài

“Nguyên tử lạnh

và phổ học laser”

Tuyển tập các bài báo được đăng ở tạp chí nước ngoài

Phối hợp triển khai các nghiên cứu thực nghiệm

Bẫy quang

từ

5 Đại học tổng

hợp Vác-sa-va

(Ba Lan)

Đại học tổng hợp Vác-sa-

va (Ba Lan)

Phối hợp triển khai các nghiên cứu lý thuyết

Phối hợp triển khai các nghiên cứu lý thuyết

Các bài báo

- Lý do thay đổi (nếu có): Không

5 Cá nhân tham gia thực hiện đề tài, dự án:

Nội dung tham gia chính

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Ghi chú*

1 PGS.TS Đinh

Xuân Khoa

Đinh Xuân Khoa

Chủ nhiệm, phụ trách chung

Các sản phẩm chính của nhiệm vụ

lý thuyết về nguyên tử lạnh

lý thuyết về nguyên tử lạnh

lý thuyết về nguyên tử lạnh

5 ThS Bùi Đình

Thuận

GS TSKH Włodzimierz Jastrzębski

Chủ nhiệm phía đối tác

Các mô hình nghiên cứu

lý thuyết về nguyên tử lạnh

8 GS TSKH

Cao Long Vân

PGS TSKH Marek Trippenbach

Nghiên cứu viên

Các mô hình nghiên cứu

lý thuyết về nguyên tử lạnh

9 PGS TSKH

Marek

Trippenbach

ThS Nguyễn Huy Bằng

Nghiên cứu viên

1 Hợp tác nghiên cứu về cấu trúc

phổ nguyên tử, phân tử và khả

năng làm lạnh các nguyên tử

phân tử (Quý I-IV năm thứ

Hợp tác nghiên cứu về cấu trúc phổ nguyên tử, phân tử và khả năng làm lạnh các nguyên tử phân tử (Quý I-IV năm thứ

nhất) nhất)

2 Hợp tác nghiên cứu các hiệu

ứng phi tuyến, hiệu ứng điện

4

Hợp tác nghiên cứu bài toán lý

thuyết và thực nghiệm kỹ thuật

làm lạnh nguyên tử bằng laser

(Năm thứ nhất và thứ hai)

Hợp tác nghiên cứu bài toán lý thuyết và thực nghiệm kỹ thuật làm lạnh nguyên tử bằng laser (Năm thứ nhất và thứ hai)

7

Giúp phía Trường Đại học

Vinh thực hiện một số nghiên

cứu thực nghiệm (các phép đo

đạc) tại các phòng thí nghiệm ở

phía Ba Lan (Quý II năm thứ

nhất và quý II năm thứ hai)

Giúp phía Trường Đại học Vinh thực hiện một số nghiên cứu thực nghiệm (các phép đo đạc) tại các phòng thí nghiệm ở phía Ba Lan (Quý II năm thứ nhất và quý II năm thứ hai)

- Lý do thay đổi (nếu có): Không

7 Tình hình tổ chức hội thảo, hội nghị:

Hội thảo được tổ chức tại

Vinh về Kỹ thuật làm lạnh

nguyên tử bằng laser, kinh

phí 30 triệu đồng

Hội thảo Quốc tế được

tổ chức tại ĐH Vinh vào tháng 10 năm 2009, với chủ đề “Nguyên tử lạnh

và phổ học laser”, kinh phí 138 triệu đồng (30 triệu từ kinh phí đề tài,

108 triệu từ các nguồn kinh phí khác)

- Lý do thay đổi (nếu có): Không

8 Tóm tắt các nội dung, công việc chủ yếu:

Người,

cơ quan thực hiện

1 Thu thập và tham khảo các bài

báo và sách vở, tài liệu có liên

quan Tiến hành phân tích, đánh

giá các công trình nghiên cứu

trên thế giới liên quan đến

nhiệm vụ

Tháng 6/2009

Các tài liệu khoa học

2 Tiến hành tham khảo các trang

thiết bị, phòng thí nghiệm, mô

hình, phương pháp đang sử

dụng có liên quan đến nội dung

của nhiệm vụ

Tháng 6/2009

1-Mô hình nghiên cứu

3 Đưa ra báo cáo tổng hợp và chi

tiết các vấn đề cần phải giải

quyết cùng với các phương

pháp giải quyết

Tháng 6/2009

1-Các nội dung chi tiết để thực hiện Nhiệm vụ

4 Tiến hành mua sắm các phần

mềm, trang thiết bị cho việc thí

nghiệm trong các nội dung của

đề tài

Tháng 6/2009

1-Máy móc theo thuyết minh

5 Tiếp tục các nghiên cứu về cấu

trúc phổ nguyên tử, phân tử và

tìm hiểu các khả năng làm lạnh

nguyên tử, phân tử

Tháng 6/2009

1-Nghiên cứu được cấu trúc phổ các nguyên tử và khả năng làm lạnh

6 Nghiên cứu các hiệu ứng phi

tuyến, các hiệu ứng điện quang,

từ quang và ứng dụng trong

công nghệ làm lạnh nguyên tử

Tháng 6/2009

1-Các hiệu ứng giao thoa lượng tử trong nguyên

7-Sơ đồ nguyên

lý hệ làm lạnh nguyên tử (bẫy quang từ)

8 Nghiên cứu thiết kế các hệ laser

xung ngắn ứng dụng trong công

nghệ làm lạnh nguyên tử

Tháng 12/2009

7-Các loại laser

sử dụng trong làm lạnh nguyên tử

9 Tiến hành mua sắm các phần

mềm, trang thiết bị cho việc thí

nghiệm trong các nội dung của

đề tài

Tháng 12/2009

7-Các phần mềm theo thuyết minh

10 Tổ chức hội thảo về các kỹ

thuật làm lạnh nguyên tử bằng

laser

Tháng 10/2009

12 Tiến hành nghiên cứu khả năng

ứng dụng mô hình bẫy quang từ

(về phương diện lý thuyết)

trong các lĩnh vực của khoa học

và công nghệ

Tháng 6/2010

1-Các chuyên

đề trình bày

về ứng dụng

13 Tiếp tục giải các bài toán lý

thuyết để hoàn thiện mô hình

làm lạnh nguyên tử bằng laser

Tháng 6/2010

1-Các hiệu ứng liên quan đến giao thoa lượng tử trong nguyên

tử lạnh

14 Tiến hành các thí nghiệm, dựa

trên các kết quả nghiên cứu lý

thuyết

Tháng 12/2010

7-Các phép đo

so sánh với lý thuyết

15 Dựa vào các kết quả thu được

có thể viết các bài báo tham dự

các hội nghị, hội thảo hoặc

Tháng 12/2010

7-Các bài báo được đăng tải trên tạp chí

- Lý do thay đổi (nếu có): Không

III SẢN PHẨM KH&CN CỦA ĐỀ TÀI, DỰ ÁN

1 Sản phẩm KH&CN đã tạo ra:

- Hệ laser làm lạnh đơn mode,

có độ rộng phổ

<1MHz

- Độ chân không đạt được tốt hơn 10-10mbar

- Nhiệt độ làm lạnh cỡ 140 µK

- Hệ laser làm lạnh đơn mode,

có độ rộng phổ 0.65 MHz

- Độ chân không đạt được

10-11 mbar

- Lý do thay đổi (nếu có): Không

Số lượng, nơi công bố

1 Bài báo khoa

học

Gắn liền với các kết quả nghiên cứu mới, chưa được ai công bố

trên tạp chí nghiên cứu của nước ngoài, 5 bài báo trên tạp chí chuyên ngành trong nước

2 Tài liệu, giáo

trình, sách tham

khảo

- Dạng bản thảo

- Nội dung chính xác, khoa học, phù hợp cho giảng dạy học viên cao học và NCS ngành Quang học

Một bản thảo và

01 đã xuất bản

Nội dung khoa học phù hợp cho giảng dạy học viên cao học và NCS ngành Quang học

02 tài liệu:

- Cơ sở quang học phi tuyến (đã in tại NXB Giáo dục 2010)

- Các kỹ thuật làm lạnh nguyên tử bằng laser (bản thảo, in trong 2011)

Đưa ra những kết luận cuối cùng về ưu, nhược điểm của các sản phẩm đã được nghiên cứu trong khuôn khổ của nhiệm vụ., các khuyến nghị

về bước phát triển tiếp theo

Tổng hợp tất cả các kết quả thu được Đưa ra những kết luận cuối cùng về ưu, nhược điểm của các sản phẩm đã được nghiên cứu trong khuôn khổ của nhiệm vụ., các khuyến nghị về bước phát triển tiếp theo

01 bản

- Lý do thay đổi (nếu có): Không

d) Kết quả đào tạo:

Số lượng

Số

TT

Cấp đào tạo, Chuyên

ngành đào tạo Theo kế

hoạch

Thực tế đạt được

Ghi chú

(Thời gian kết thúc)

- Lý do thay đổi (nếu có): Không

đ) Tình hình đăng ký bảo hộ quyền sở hữu công nghiệp, quyền đối với

giống cây trồng:

Không

- Lý do thay đổi (nếu có): Không

e) Danh mục sản phẩm KHCN đã được ứng dụng vào thực tế:

Không

2 Đánh giá về hiệu quả do đề tài, dự án mang lại:

a Hiệu quả về khoa học và công nghệ:

Làm lạnh nguyên tử bằng laser là lĩnh vực nghiên cứu mới và đây là lần đầu tiên được triển khai nghiên cứu ở Viêt Nam Vì vậy, Nhiệm vụ

“Hợp tác nghiên cứu và chuyển giao công nghệ làm lạnh nguyên tử bằng laser” đã đặt nên móng cho các nghiên cứu tiếp theo liên quan đến lĩnh vực này ở Việt Nam trong trương lai gần

Công nghệ làm lạnh nguyên tử bằng laser hiện đang được quan tâm nghiên cứu trên cả phương diện nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng Hiện tại, các nghiên cứu về ứng dụng mới chỉ thực hiện được ở trong phòng thí nghiệm vì lý do kỹ thuật Theo nhận định của nhiều chuyên gia đầu ngành của thế giới thì việc áp dụng công nghệ làm lạnh vào trong thực tiễn

sẽ được thực hiện trong vòng 15-20 năm tới

b Hiệu quả về kinh tế xã hội:

Nhiệm vụ Nghị định thư “Hợp tác nghiên cứu và chuyển giao công nghệ làm lạnh nguyên tử bằng laser” đã trực tiếp và gián tiếp thúc đẩy sự phát triển kinh tế xã hội trên các mặt sau đây:

+ Đào tạo nguồn nhân lực có trình độ sau đại học về lĩnh vực làm lạnh nguyên tử bằng laser nói riêng và quang học nói chung

+ Nâng cao năng lực nghiên cứu khoa học, khả năng hợp tác quốc tế và làm việc theo nhóm

c Ứng dụng vào thực tiễn đời sống:

Công nghệ làm lạnh nguyên tử bằng laser hiện đang được quan tâm nghiên cứu trên cả phương diện nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng Hiện tại, các nghiên cứu về ứng dụng mới chỉ thực hiện được ở trong phòng thí nghiệm vì lý do kỹ thuật Theo nhận định của nhiều chuyên gia đầu ngành của thế giới thì việc áp dụng công nghệ làm lạnh vào trong thực tiễn

sẽ được thực hiện trong vòng 15-20 năm tới

d Đánh giá về năng lực và tính tiên tiến của đối tác:

Ba Lan là một trong những nước đầu tiên trên thế giới thành công trong việc làm lạnh nguyên tử đến nhiệt độ nano Kelvin để tạo ra hệ BEC Chủ nhiệm phía đối tác - GS W Jastrzebski là người có nhiều năm làm việc cùng với nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia (FAMO) của Ba Lan Đây là nơi đầu tiên và duy nhất ở Ba Lan thực hiện thành công làm lạnh nguyên tử đến trạng thái BEC Bên cạnh đó, GS M Trippenbach (cùng tham gia hợp tác trong Đề tài này) là người đã có nhiều năm nghiên cứu lý thuyết với nhà khoa học W Phillip (người được trao giải Nobel Vật lý năm 1997 về làm lạnh nguyên tử )

Vì vậy, việc hợp tác với các chuyên gia phía Ba Lan đã tạo điều kiện rất thuận lợi cho nhóm nghiên cứu của Đại học Vinh tiếp xúc với các nhà khoa học (thực nghiệm và lý thuyết) rất có uy tín của thế giới

3 Tình hình thực hiện chế độ báo cáo, kiểm tra của đề tài, dự án:

Số

TT Nội dung

Thời gian thực hiện

Đề xuất: cho tiếp tục được triển khai Nhiệm vụ

Lần 2 12/09/2009

+ Xây dựng các mô hình nghiên cứu: hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ, tăng cường hệ số khúc xạ phi tuyến kiểu Kerr, biến đổi hệ số khúc xạ, điều khiển vận tốc nhóm của ánh sáng

+ Tiến hành biên soạn quy trình công nghệ làm lạnh nguyên tử bằng laser

+ Tiến hành các phép đo đạc tại Ba Lan để đối chứng với các kết quả tính toán lý thuyết

Đề xuất: cho tiếp tục triển khai Nhiệm vụ

Lần 3 12/03/2010

+ Triển khai các nghiên cứu về ứng dụng của công nghệ làm lạnh nguyên tử bằng laser: tăng cường và điều khiển hệ số khúc

xạ phi tuyến kiểu Kerr trong điều kiện có hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ, điều khiển vận tốc nhóm của ánh sáng, nghiên cứu các hiệu ứng khác liên quan đến nguyên tử lạnh

+ Tiến hành các phép đo đạc tại Ba Lan để đối chứng với các kết quả tính toán lý thuyết + Chuẩn bị hồ sơ thầu để mua sắm thiết bị + Hỗ trợ đào tạo sau đại học

+ Tổ chức Hội thảo quốc tế về “Nguyên tử

lạnh và phổ học laser 10/2009”

+ Đăng tải các kết quả khoa học trên các tạp chí nghiên cứu chuyên ngành trong và ngoài nước

Đề xuất: cho tiếp tục triển khai nhiệm vụ Báo cáo đánh giá

tóm tắt các nội dung

hợp tác quốc tế của

Nhiệm vụ

15/06/2010

+ Tóm tắt được các nội dung đã triển khai

ở trong và ngoài nước

+ Đánh giá những kết quả chính đã đạt được

II Nghiệm thu cơ sở 12/2010

Hội đồng nghiệm thu cấp cơ sở đánh giá Nhiệm vụ loại “Đạt” và đề nghị cấp trên cho phép triển khai xây dựng hệ làm lạnh nguyên tử bằng laser (bẫy quang từ) tại

ĐH Vinh trong thời gian tới

Chủ nhiệm đề tài

(Họ tên, chữ ký) (Họ tên, chữ ký và đóng dấu) Thủ trưởng tổ chức chủ trì

MỤC LỤC Trang

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 21

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 22

Chương 1: MỞ ĐẦU 27 Chương 2: KHẢ NĂNG LÀM LẠNH CÁC NGUYÊN TỬ

BẰNG LASER

30

2.1 Mô hình nguyên tử kim loại kiềm 31

2.3 Khả năng làm lạnh các nguyên tử bằng laser 38

Chương 3 MÔ HÌNH LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU CÁC ỨNG

DỤNG NGUYÊN TỬ LẠNH

42

3.1 Điều khiển hệ số hấp thụ và tán sắc của môi trường 43

3.2 Điều khiển vận tốc nhóm của ánh sáng 53

3.3 Tăng cường hệ số khúc xạ Kerr phi tuyến 64

Chương 4: XÂY DỰNG “QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ LÀM

LẠNH NGUYÊN TỬ BẰNG LASER”

71

4.1 Sự chuyển xung lượng của photon cho nguyên tử 72

4.2 Nguyên lý làm lạnh nguyên tử bằng laser, cơ chế làm lạnh

Doppler

73

4.3 Nguyên lý hoạt động của bẫy quang từ 76

4.4 Làm lạnh dưới giới hạn Doppler 79

4.5 Sơ đồ các mức năng lượng Rb sử dụng để làm lạnh 80

4.6 Sơ đồ quang học bẫy quang từ 81

4.7 Các module của bẫy quang từ 82

Chương 5: THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG CÁC KẾT QUẢ

PHỤ LỤC II: Danh mục các trang thiết bị đã sử dụng 116

PHỤ LỤC III: Các công bố khoa học của Nhiệm vụ 123

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

n: chiết suất

χ: độ cảm của môi trường

χ(1) : độ cảm bậc 1 của môi trường

χ(3) : độ cảm bậc 3 của môi trường

α : hệ số hấp thụ của môi trường

ρij: phần tử ma trận mật độ giữa hai trạng thái i và j

Im: phép lấy phần ảo

BEC- Bose-Einstein Condensate: ngưng tụ Bose-Einstein

EIT- Electromagetically Induced Transparency: Trong suốt cảm ứng điện từ MOT- Magneto-Optical Trap: Bẫy quang từ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 2.1: Thế năng hiệu dụng V eff được biểu diễn như là hàm trung gian giữa hai biểu thức (2.3) và (2.4)

Hình 2.2: Sự tách thành các mức siêu tinh tế ở trạng thái điện tử cơ bản

5S1/2 của nguyên tử Rb85 (a) và nguyên tử Rb87 (b)

Hình 2.3: Các mức năng lượng trong dịch chuyển D2 của Na, trong đó dịch chuyển làm lạnh 589.2 nm 3S1/2(F =2) – 3P3/2 (F =3) [23]

Hình 2.4 Các mức năng lượng trong dịch chuyển D2 của Rb87, trong đó dịch chuyển làm lạnh 780.2 nm 5S1/2(F =2) – 5P3/2(F =3) [23]

Hình 2.5 Các mức năng lượng trong dịch chuyển D2 của Cs137, trong đó dịch chuyển làm lạnh 852.3 nm 6S1/2(F =4) – 5P3/2 (F =5) [23]

Hình 3.1 Các cấu hình kích thích trong hệ 3 mức: (a)- hình thang, (b)- Λ, (c) – V

Hình 3.2 Sự phụ thuộc của công tua hấp thụ (a) và công tua tán sắc (b) của

chùm dò vào cường độ trường điều khiển (Ωc) khi độ lệch tần ∆c = 0

Hình 3.3 Công tua hấp thụ (các hình phía trên) và công tua tán sắc (các

hình phía dưới) của chùm dò tại các giá trị Ωc = 0, 1.5, 8 và 16 MHz khi độ lệch tần ∆c = 0

Hình 3.4 Sự phụ thuộc của công tua hấp thụ (a) và công tua tán sắc (b) của

chùm dò vào độ lệch tần ∆c khi tần số Rabi được cố định tại Ωc= 8MHz

Hình 3.5 Công tua hấp thụ (hình phía trên) và công tua tán sắc (hình phía dưới)

của chùm dò tại các giá trị của lệch tần ∆c = -5, 0, +5 MHz và tần số Rabi Ωc = 8MHz

Hình 3.6 Sự phụ thuộc của α vào tần số Rabi của trường điều khiển Ωc khi ∆p

=∆c=0

Hình 3.7 Sự phụ thuộc của độ trong suốt vào tần số Rabi của trường điều

khiển Ωc trong cấu hình bậc thang

Hình 3.8 Sự phụ thuộc của độ trong suốt vào tần số Rabi của trường điều

khiển Ωc trong cấu hình chữ V

Hình 3.9 Công tua tán sắc (màu xanh) và chiết nhóm (màu đỏ) khi Ωc = 2MHz

Hình 3.10 Sự phụ thuộc của chiết suất nhóm theo tần số Rabi Ωc trong điều kiện cộng hưởng hai photon, ∆p = ∆c = 0

Hình 3.11 Công tua chiết suất nhóm (màu xanh) và vận tốc nhóm (màu đỏ)

khi không có mặt của EIT (Ωc = 0)

Hình 3.12 Công tua chiết suất nhóm (màu xanh) và vận tốc nhóm (màu đỏ)

Hình 3.16 Công tua chiết suất nhóm (màu xanh) và vận tốc nhóm (màu

đỏ) khi độ lệch tần chùm điều khiển ∆c = -2MHz và Ωc = 0.65MHz

Hình 3.17 Công tua hệ số hấp thụ (màu đỏ) và hệ số tán sắc (màu xanh)

khi độ lệch tần chùm điều khiển ∆c = -2MHz và Ωc = 0.65MHz

Hình 3.18 Công tua chiết suất nhóm (màu xanh) và vận tốc nhóm (màu

đỏ) khi độ lệch tần chùm điều khiển ∆c = +2MHz và Ωc = 0.65MHz

Hình 3.19 Công tua hệ số hấp thụ (màu đỏ) và hệ số tán sắc (màu xanh)

khi độ lệch tần chùm điều khiển ∆c = +2MHz và Ωc = 0.65MHz

Hình 3.20 Đồ thị tỷ số giữa n2 trong trường hợp có EIT ( Ω ≠c 0)và không

có EIT ( Ω =c 0) theo độ lệch tần ∆p, a) khi ∆ −p[ 1.4 ÷ − 0.01] và b) khi

Hình 3.22 Đồ thị ba chiều của hệ số khúc xạ phi tuyến n2 đối với độ lệch tần chùm điều khiển ∆cvà Ωc khi ∆ =p 0.03MHz

Hình 3.23 Đồ thị của hệ số khúc xạ phi tuyến n2 đối với độ lệch tần chùm điều khiển ∆c khi Ω =c 0.6MHz

Hình 4.1 Sự chuyển xung lượng của các photon cho nguyên tử nhờ quá

trình “hấp thụ-phát xạ tự phát”

Hình 4.2 (a) Phương pháp làm chậm chuyển động nguyên tử bằng laser

trong không gian một chiều (b) Lực phụ thuộc vào vận tốc (c) Hàm phân

bố vận tốc tại các thời điểm t2>t1>t0

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý của bẫy quang từ

Hình 4.4 Sự thay đổi của từ trường theo trục Oz (hình phía dưới) và sự dịch

các mức năng lượng của nguyên tử do hiệu ứng Zeemann (hình phía trên)

Hình 4.5 Sơ đồ các mức năng lượng của nguyên tử Rb85 liên quan trong quá trình làm lạnh [23]

Hình 4.6 Sơ đồ quang học của bẫy quang từ

Hình 4.7 Cấu trúc của module bẫy: M – gương phản xạ, PBS - bản tách

chùm theo hướng phân cực; QW – bản phần tư bước sóng, HW – bản nửa bước sóng

Hình 4.8 Sơ đồ hệ laser tái phân bố lại độ cư trú mức 5S1/2(F =3) của Rb85

Hình 4.9 Ảnh chụp hệ laser tự chế có buồng cộng hưởng mở rộng dùng để

làm nhiệm vụ bơm tái phân bố độ cư trú cho mức 5S1/2(F = 3) của nguyên tử

Rb85 Trong đó: 1- giá tản nhiệt cho laser, 2-bệ của laser, 3-giá treo gương, 4- gương phản xạ, 5-lớp làm mát Peltier, 6- đầu laser diode, 7-bộ chuẩn trực, 8-cách tử, 9- phần tử điện áp piezoelectric

Hình 4.10 Sơ đồ hệ laser làm lạnh kiểu master-slaver

Hình 4.11 Bơm turbo V 70 của hãng Varian được sử dụng để tạo độ chân

không đến 10-8 mbar ngay sau khi kết thúc bơm cơ học

Hình 4.12 Bơm ion Starcell VacIon Plus 40 của hãng Varian được sử đụng

để tạo độ chân không đến 10-12 mBar ngay sau khi kết thúc bơm turbo

Hình 4.13 Bình chứa Rb hình lục lăng bằng thạch anh, đặt ở tâm bẫy Kích

thước cửa sổ quang học khoảng 3 cm

Hình 4.14 Nguồn Rb loại RB/NF/7/25/FT10 của SAES Getter Trong đó:

a- hai thanh chứa Rb (dispensers), c- đầu nối tới nguồn điện, d- đầu nối tới bình chứa Rb đặt ở tâm của bẫy

Hình 4.15 Cặp cuộn dây trong cấu hình anti-Helmholtz

Hình 4.16 Các cuộn dây anti- Helmholtz tạo từ trường phục vụ cho bẫy

(cuộn nhỏ) và tạo từ trường bù trừ từ trường của Trái Đất (cuộn lớn)

Hình 4.17 Ảnh chụp toàn cảnh hệ thống bẫy quang từ sau khi đã được xây

Hình 4.21 Ảnh chụp đám mây nguyên tử lạnh bằng Camera hồng ngoại sau

khi được kích thích 780 nm (tương ứng với phát xạ 5P3/2-5S1/2)

Hình 4.22 Ảnh chụp đám mây nguyên tử lạnh sau khi đã được kích thích

lên trạng thái 5D5/2 bằng CCD Camera

Hình 5.1 Sơ đồ quang học cho thí nghiệm kiểm chứng kết quả tính toán lý

thuyết về điều khiển độ hấp thụ của môi trường Trong đó: FD-photodiode,

IS-bộ cách ly quang, M- gương phản xạ, PBS-lăng kính tách chùm tia

Hình 5.2 Phổ hấp thụ lý thuyết (phía trên) và thực nghiệm (phía dưới) của

chùm dò khi độ lệch tần bằng 0 tại các tần số Rabi của chùm laser điều khiển Ωc = 3, 5 và 8 MHz

Hình 5.3 Phổ hấp thụ lý thuyết (phía trên) và thực nghiệm (phía dưới) của

chùm dò tại Ωc = 8MHz khi các độ lệch tần ∆c của chùm điều khiển là 0 và

10 MHz

Hình 5.4 Sơ đồ 5 mức hình thang của Rb85

Hình 5.5 Phổ truyền qua của chùm dò trong dịch chuyển 5S1/2 (F=3)

→5P3/2(F= 3) khi độ lệch tần chùm liên kết là ∆c = -7.5 MHz ở các giá trị khác nhau của tần số Rabi Ωc = 2.0, 2.5, 4.0 và 7.0 MHz Cột bên trái là phổ thực nghiệm còn cột bên phải là phổ lý thuyết được tính theo hệ phương

trình (3.1) ở điều kiện dừng

Hình P.1 Hệ laser DL100 sử dụng làm laser Master trong làm lạnh nguyên

tử Rb

Hình P.2 Hệ laser ECD-001 của hãng Moglabs được sử dụng làm nguồn

bơm tái phân bố độ cư trú cho mức 5S1/2 (F =3) trong bẫy quang từ cho làm

lạnh các nguyên tử Rb85

Chương 1

MỞ ĐẦU

Chương 1

MỞ ĐẦU

Cùng với xu hướng phát triển của nền khoa học thế giới, lĩnh vực Quang học-Quang phổ ở nước ta gần đây đã thu hút được sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học bởi tầm quan trọng của nó trong khoa học và kỹ thuật Hiện tại, hầu hết các trường đại học và các viện nghiên cứu đều đã thành lập các trung tâm hoặc các nhóm chuyên nghiên cứu về lĩnh vực này Do có tính chất quan trọng của lĩnh vực nghiên cứu này nên hàng năm Viện Vật lý và Điện tử, Viện Khoa học vật liệu đã phối hợp với các trường đại học trong và ngoài nước tổ chức các hội thảo cấp Quốc gia và Quốc tế về lĩnh vực này (ví

dụ xem [1])

Với bề dày lịch sử trong đào tạo nguồn nhân lực cho khu vực Bắc miền Trung thì Trường Đại học Vinh gần đây đã có những quân tâm đặc biệt trong nghiên cứu khoa học và chuyển giao công nghệ Nhiều lĩnh vực khoa học đã được các cán bộ của Trường quan tâm nghiên cứu và đã thu được các kết quả đáng khích lệ Trong số các lĩnh vực được quan tâm thì Quang học-Quang phổ đã thu hút được sự chú ý đặc biệt bởi tính thời sự của nó Với đội ngũ cán bộ nghiên cứu có nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực này và được

sự giúp đỡ cộng tác của các nhà khoa học uy tín ở trong nước và ngoài nước, nhóm nghiên cứu về Quang học - Quang phổ của Nhà trường đã thu được thành quả bước đầu đáng quan tâm Trong vòng hơn 7 năm qua, nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã công bố được trên 50 công trình khoa học ở các tạp chí chuyên ngành có uy tín ở trong nước và Quốc tế Ở đấy, những hướng chuyên sâu đã được chúng tôi tiến hành nghiên cứu gồm: các hiệu ứng quang phi tuyến [4-17], phổ của các nguyên tử/ phân tử kim loại kiềm [18-21], vật lý laser xung ngắn [22]

Những năm gần đây, với sự phát triển của các kỹ thuật phổ laser về làm lạnh các nguyên tử tới gần nhiệt độ không tuyệt đối đã mở ra những hướng

đi mới trong Quang học-Quang phổ và các ngành liên quan (hóa học nhiệt

độ thấp) Ở nhiệt độ thấp như vậy, các hiệu ứng do chuyển động nhiệt là không đáng kể nên các phép đo phổ sẽ chính xác hơn nhiều so với khi đo ở các nhiệt độ cao Điều này dẫn đến một hệ quả quan trọng cả trong khoa học

và trong kỹ thuật là sự thay đổi định nghĩa đơn vị cơ bản của thời gian mà trước đây đã đưa ra Mặt khác, trong điều kiện nhiệt độ thấp như vậy thì một

số các hiệu ứng thú vị như sự trong suốt điện từ (EIT), sự làm chậm vận tốc

nhóm của ánh sáng[Nature, 397 (1999)594] v.v sẽ dễ dàng quan sát được

Vì vậy, làm lạnh các nguyên tử bằng ánh sáng laser sẽ có nhiều triển vọng

trong thông tin lượng tử[PRL, 93 (2004) 233903], trong lưu trữ thông tin

quang Gần đây, từ hệ các nguyên tử được làm lạnh các nhà thực nghiệm tạo

ra được các hệ “laser nguyên tử” [PRL, 85 (2000) 4225] Điều này được

trông đợi sẽ có một bước đột phá lớn về sự phát triển và ứng dụng laser nguyên tử như bước đột phá mà các laser quang học đã tạo ra trong hơn 40 năm qua

Hiện nay, làm lạnh các nguyên tử tới trạng thái BEC được thực hiện bằng hai giai đoạn khác nhau tùy vào mục đích nghiên cứu Giai đoạn đầu là làm lạnh trong bẫy quang từ tới nhiệt độ cỡ vài trăm µK Giai đoạn hai là tiếp tục làm lạnh bằng bốc hơi trong bẫy từ để tới nhiệt độ cỡ vài trăm nK Trong Nhiệm vụ này, chúng tôi tiến hành xây dựng quy trình công nghệ làm lạnh nguyên tử bằng laser theo giai đoạn đầu Để đạt được mục đích này, trước hết chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu cấu trúc và khả năng làm lạnh các nguyên tử Tiếp đến chúng tôi xây dựng mô hình lý thuyết nghiên cứu các ứng dụng của nguyên tử lạnh, xây dựng quy trình công nghệ làm lạnh nguyên tử bằng laser Cuối cùng, chúng tôi đã vận dụng quy trình đó vào xây dựng hệ thống bẫy quang từ tại Ba Lan và tiến hành các thí nghiệm kiểm chứng

Chương 2 KHẢ NĂNG LÀM LẠNH CÁC NGUYÊN TỬ

BẰNG LASER

Chương 2 KHẢ NĂNG LÀM LẠNH CÁC NGUYÊN TỬ BẰNG LASER

Các nguyên tử kim loại kiềm tuy thuộc vào loại nguyên tử có nhiều điện tử nhưng chỉ có một điện tử hóa trị chuyễn động xung quanh các lớp vỏ

đã được lấp đầy nên cấu trúc phổ của chúng tương đối đơn giản Hơn nữa, phổ điện tử của chúng nằm trong miền UV-VIS nên là đối tượng rất thuận tiện cho các kỹ thuật phổ laser, trong đó có kỹ thuật làm lạnh nguyên tử

Chương này trình bày đặc trưng cấu trúc phổ của các nguyên tử kim loại và nghiên cứu khả năng làm lạnh bằng laser

2.1 Mô hình nguyên tử kim loại kiềm

Sự sắp xếp các điện tử trong nguyên tử nhiều điện tử bị chi phối bởi quy tắc cực tiểu năng lượng, nguyên lý loại trừ Pauli và nguyên lý không phân biệt được các điện tử Theo đó, các điện tử sẽ lần lượt chiếm các orbital có năng lượng từ thấp đến cao và trong mỗi orbital thì số điện tử

được sắp xếp sao cho không có hai điện tử có cùng 4 số lượng tử n, l, m l và

m s Các orbital được sắp xếp theo thứ tự 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 4p, 3d Ta thấy rằng orbital s có tối đa 2 điện tử tương ứng với các hình chiều spin m s =

½ và m s = -½ (vì m l = 0), còn orbital p (l = 1) có tối đa 6 điện tử tương ứng với (m l , m s) = (1, ½), (1, -½ ), (-1, ½), (-1, -½), (0, ½) và (0, -½) Tương tự,

orbital d có tối đa 10 điện tử và orbital f có tối đa 14 điện tử Các orbital có

tối đa số điện tử chiếm giữ như vậy được gọi là các orbital đã được lấp đầy Các điện tử sắp xếp sao cho trạng thái co bản của nguyên tử có năng lượng thấp nhất

Với các nguyên tử kim loại kiềm, các điện tử tương tác với nhau sao cho các moment quỹ đạo lrk liên kết với nhau tạo thành moment quỹ đạo toàn phần Lr còn các spin liên kết với nhau tạo thành spin toàn phần Sr (gần đúng Russell-Saunder):

Các môment toàn phần này bị lượng tử hóa tương ứng với các số lượng tử L

và S Moment quỹ đạo toàn phần của các điện tử khi đó sẽ được xác định

và cũng bị lượng tử hóa theo số lượng tử J (J = L+S, L+S – 1,… ׀L-S׀) Vì

số lượng tử L là số nguyên (L = 0, 1, 2, …) nên số lượng tử J là nguyên hoặc bán nguyên tùy thuộc vào S là nguyên hay bán nguyên, nghĩa là tùy thuộc

vào số điện tử trong nguyên tử là chẵn hoặc lẻ Với các nguyên tử kim loại

kiềm thì số điện tử luôn lẻ nên ta có J sẽ nhận các giá trị bán nguyên, nghĩa

là J = 1/2, 3/2, 5/2…

Trong phổ học nguyên tử, với các nguyên tử tuân theo liên kết

Rusel-Sauder thì trạng thái điện tử được ký hiệu bởi n 2S+1 X J , trong đó 2S+1 được gọi là độ bội, còn X là ký hiệu của trạng thái S, P, D, F, G,…tương ứng với giá trị L = 0, 1, 2, 3, 4,… Dễ nhận thấy rằng do nguyên lý loại trừ Pauli nên

trong các orbital đã lấp đầy thì số điện tử luôn chẵn và được cặp đôi với nhau sao cho spin của chúng ngược chiều nhau Vì vậy, đối với các nguyên

tử kim loại kiềm thì trạng thái điện tử cơ bản và trạng thía kích thích đơn

luôn là trang thái bội hai (2S +1 = 2) Ví dụ, hệ nguyên tử ứng với trạng thái (n = 5, L = 0, J =1/2) được ký hiệu là 52S1/2 , còn trạng thái ứng với (n = 5, L

=2, J =3/2, S = ½) thì được ký hiệu là 52D3/2

chính n, khi xét đến cấu trúc tinh tế và siêu tinh tế thì mỗi giá trị n có tập

hợp các mức sắp xếp gần nhau Vì vậy, các trạng thái điện tử có cùng một

giá trị của n có năng lượng gần nhau và được xếp thành một lớp Ví dụ, n

=1 được gọi là lớp K, n = 2 được gọi là lớp L Người ta ký hiệu các lớp theo giá trị số lượng tử chính n như trên bảng 2 Trong mỗi lớp những trạng thái

có cùng số lượng tử l được ghép thành lớp con Ví dụ: lớp M ( tương ứng n

= 3, l = 0, l =1 và l = 2) thì sẽ có 3 lớp con ứng với lớp con 3s ( l = 0), lớp

con 3p ( l = 1) và lớp con 3d ( l = 2) Sử dụng nguyên lý loại trừ Pauli ta dễ

dàng rút ra được số điện tử cực đại trong các lớp và các lớp con như trong

Cuối cùng ta xét trường hợp các nguyên tử kim loại kiềm Do chỉ có

một điện tử hóa trị chuyển động xung quanh các lớp vỏ đã lấp đầy nên trạng

thái điện tử của nguyên tử sẽ được xác định theo trạng thái điện tử hóa trị

này Điều này dễ nhận thấy được từ tính đối xứng của phân bố điện tử của

các lớp vỏ lấp đầy, nghĩa là moment quỹ đạo tổng cộng của các điện tử

trong lớp lấp đầy sẽ bằng 0 Đồng thời spin tổng cộng của các điện tử này

cũng triệt tiêu Bảng dưới đây liệt kê trạng thái điện tử cơ bản cùng với hai

trạng thái kích thích đầu tiên của tất cả các nguyên tử kim loại kiềm

2.2 Phổ các nguyên tử kim loại kiềm

Để xác định phổ của các nguyên tử kim loại kiềm trước hết ta xây dựng biểu thức năng lượng cho điện tử hóa trị Vì tính đối xứng của các lớp điện tử đã được lấp đầy nên có thể xem điện tử hóa trị chuyển động trong trường thế đối xứng cầu Do các lớp vỏ có kích thước hữu hạn và có sự chắn của các điện tử lớp trong đối với điện tử hóa trị nên thế năng tương tác trong

các trường hợp giới của khoảng các r từ điện tử hóa trị tới hạt nhân có thể

được biểu diễn:

Như chúng ta đã biết rằng, khi r tiến tới vô cùng thì thế tương tác của

điện tử đối với hạt nhân của nguyên tử kim loại kiềm có giá trị giống như của nguyên tử một điện tử mà ở đó năng lượng thô bị suy biến theo số lượng

tử quỹ đạo l Khi điện tử tiến gần hạt nhân thì do hiệu ứng chắn do các điện

tử còn lại Vì vậy, với nguyên tử kim loại kiềm thì sự suy biến theo l bị giảm

do hiệu ứng "chắn" của các điện tử ở lớp trong đối với tương tác giữa điện

tử hóa trị và hạt nhân Để đặc trưng điều này người ta đưa vào hằng số chắn

δn,l để mô tả điều này Khi đó, biểu thức năng lượng của nguyên tử kim loại kiềm (khi chưa tính đến tương tác spin-quỹ đạo) được xác định theo số

lượng tử hiệu dụng n*bởi:

Cần chú ý rằng sự chắn phụ thuộc vào phân bố điện tử nên hằng số chắn

phụ thuộc vào mô men quỹ đạo l Giá trị của các hằng số chắn này được

xác định từ thực nghiệm dựa theo các phép đo phổ Giá trị của δn,l ở một số trạng thái đầu tiên được cho trong bảng dưới

số lượng tử quỹ đạo l, nghĩa là các mức năng lượng bị tách thành các mức

con Điều này dẫn đến sự sắp xếp các mức năng lượng của điện tử hóa trị

trong nguyên tử kim loại kiềm sẽ phức tạp hơn trường hợp phổ các nguyên

tử 1 điện tử Tuy nhiên, khi xét đến tương tác spin-quỹ đạo và tương tác giữa mô men từ hạt nhân với mô men từ quỹ đạo và mô men từ spin điện tử thì cơ chế tổng hợp phổ cũng giống nhau Cụ thể, khi chỉ xét đến tương tác spin-quỹ đạo thì mô men góc toàn phần Jr của điện tử là một tích phần chuyển động và được xác định:

Biểu thức năng lượng lúc đó sẽ được xác định theo các số lượng tử n, l, J

Còn khi tính đến tương tác giữa các mô men từ (mô men từ hạt nhân, mô men từ quỹ đạo và mô men từ spin của điện tử) thì Fr mới là tích phân chuyển động, với:

Ở đây, các giá trị của số lượng tử F bị giới hạn bởi giá trị của các số lượng

tử J và I như sau:

J I− ≤ ≤ +F J I (2.8) Phần năng lượng do tương tác giữa các các mô ment từ (dẫn đến sự dịch siêu tinh tế của các mức năng lượng) sẽ được xác định:

trong đó K được xác định bởi:

(2.10)

và A hfs là hằng số tương tác siêu tinh tế, còn B hfs và C hfs tương ứng là các hằng số tứ cực điện điện và bát cực từ Tất cả các hằng số này được xác định bằng thực nghiệm

(2.9)

Với các nguyên tử kim loại kiềm, spin hạt nhân thường bán nguyên

(3/2 hoặc 5/2) nên trạng thái điện tử cơ bản (tức là L = 0, J = ½) nS1/2 bị

tách thành 2 mức siêu tinh tế tương ứng với F = 1 và F = 2 (đối với trường

hợp spin hạt nhân bằng 3/2) hoặc F = 2 và F =3 (ứng với trường hợp spin

hạt nhân bằng 5/2) Minh họa cho hai trường hợp này được trình bày trên

hình 2.2 cho các nguyên tử Rb85 (spin hạt nhân bằng 5/2) và Rb87 (spin hạt

nhân bằng 3/2) [23]

Hình 2.2 Sự tách thành các mức siêu tinh tế ở trạng thái điện tử cơ bản 5S1/2 của

nguyên tử Rb85 (a) và nguyên tử Rb87 (b)

Trong gần đúng lưỡng cực điện, dịch chuyển giữa các trạng thái thỏa mãn

Ví dụ: các dịch chuyển S1/2 – P1/2 và S1/2 – P3/2 là được phép, nhưng S1/2 –

D3/2 và S1/2 – D5/2 là bị cấm

2.3 Khả năng làm lạnh các nguyên tử bằng laser

Trên cơ sở lý thuyết về tương tác giữa nguyên tử với trường laser, ta

có thể chứng minh được rằng chùm sáng laser có thể làm chậm chuyển động nhiệt của các nguyên tử nếu các tham số của laser (bước sóng, độ rộng phổ,

độ phân cực, cường độ) được chọn một cách phù hợp Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng tỏ rằng để làm lạnh nguyên tử kim loại kiềm thì kích thích quang học phải được lựa chọn sao cho dịch chuyển hấp thụ và dịch chuyển phát xạ tự phát chỉ xẩy ra giữa hai mức năng lượng của nguyên tử Điều này này được thỏa mãn khi [24-26]:

• Tần số laser được lựa chọn để kích thích dịch chuyển thuộc vạch D2 của nguyên tử, nghĩa là từ nS1/2 lên nP3/2

• Phải lựa chọn mức siêu tinh tế trong dịch chuyển làm lạnh sao cho quá trình phân rã đưa nguyên tử ở trạng thái kích thích về đúng trạng thái ban đầu Điều này có thể lựa chọn được dễ dàng bằng cách sử dụng quy tắc lọc lựa Ví dụ: với nguyên tử

Hình 2.3 Các mức năng lượng trong dịch chuyển D2 của Na, trong đó dịch

chuyển làm lạnh 589.2 nm 3S1/2(F =2) – 3P3/2 (F =3) [23]