Laser cooling mechanisms and Brownian motors in optical lattices

Sammanfattning: Denna avhandling innefattar såväl experimentella som numeriska studier av laserkylda atomer i optiska kristallgitter. Bland annat har laserkylningsprocesser studerats, där atomers rörelser i optiska kristallgitter har uppvisat andra typer av bakomliggande mekanismer än de som tidigare förutsågs genom “Sisyfoskylningsmodellen”. Sedan atomer kylda till några mikrokelvin först realiserades (sent 60-tal) så har Sisyfoskylningsmodellen varit hörnstenen för förståelsen av laserkylda och lokaliserade atomer i dissipativa optiska kristallgitter. I dissipativa optiska kristallgitter finns det en balans mellan den uppvärmande diffusionen och den kylande friktionen. Studier i denna avhandling visar att laserkylningsprocesser är mer komplexa än vad denna modell innefattar. Både experimentella och numeriska resultat visar att atomer i optiska kristallgitter har två hastighetsfördelningar där en “kallare” och en “varmare” mod av atomer omfördelas mellan moderna. Speciellt så visar det sig att varma atomer dels värms och diffunderar ut ur gittret, men samtidigt populeras den kalla moden med en tidsutveckling som inte förändrar dess temperatur nämnvärt. I detta arbete presenteras också resultat från den första realiserade tredimensionella Brownska motorn baserad på ljus-atom-växelverkan. Det unika med denna Brownska motor är att den är kontrollerbar både vad gäller dess hastighet som dess riktning. Den underliggande principen för denna Brownska motor är tämligen generell och den kan därför vara applicerbar inom andra vetenskapliga discipliner såsom nanoteknik, biologi, kemi och elektronik. Generellt så är förståelsen av Brownska motorer viktigt eftersom de återfinns i vår omgivning, från exempelvis härkomsten av muskelsammandragningar och materialtransporter i levande celler till rörelsen hos bakterier och mindre organismer. Det flesta av de experimentella resultaten presenterade i denna avhandling har varit möjliga genom utveckling och förbättringar av den experimentella uppställningen. Framförallt så har kvaliten och reproducerbarheten vid de olika mätningar som gjorts blivit avsevärt förbättrade jämfört med tidigare vilket utgör en bra grund för framtida studier av ultrakalla atomer.