Misura del tempo di volo

Per determinare la velocit`a media longitudinale del fascio atomico abbiamo ef- fettuato una misura del tempo di volo. Questa misura consiste nell’osservare, in funzione del tempo, la fluorescenza di un “pacchetto” di atomi ad una distanza nota dal punto di partenza del pacchetto stesso. Per effettuare questa misura ab- biamo avuto bisogno di un sistema per accendere e spegnere in maniera controllata il fascio atomico. Abbiamo iniziamente escluso la possibilit`a di agire sui laser di trappola, in quanto questo avrebbe compromesso la misura, che deve essere fatta nella stessa condizione di fascio in continua. Anche lo spegnimento dei dispenser non faceva al caso nostro, visto che il loro funzionamento `e legato a fenomeni di natura termica, quindi estremamente lenti. Abbiamo quindi deciso di agire sul campo magnetico di compensazione; come abbiamo spiegato precedentemente, la MOT statica si forma quando sono accese le bobine di compensazione, in quanto queste, generando un opportuno campo magnetico, spostano lo zero del campo di quadrupolo fuori dall’asse. In tali condizioni l’intensit`a laser `e bilanciata in tutte le direzioni e quindi la MOT pu`o formarsi.

Figura 4.1: Misura del tempo di volo. Sono mostrati sullo stesso asse temporale l’impulso di tensione inviato alle bobine ed il segnale di fluorescenza rivelato in zona di deposizione, ad una distanza di 45 cm dal punto di partenza del pacchetto atomico. Ricordiamo che il segnale in uscita dall’anodo del fototubo `e negativo; in assenza della fluorescenza esso non va a zero a causa di luce spuria.

Impulsando la corrente che attraversa le bobine di compensazione `e quindi possibile riportare per breve tempo lo zero del campo magnetico di quadrupolo sull’asse, formando quindi un pacchetto atomico freddo uscente dalla piramide. Abbiamo quindi creato, per mezzo di un generatore di impulsi, un’onda rettango- lare di periodo 100 ms e avente un impulso di durata 8.6 ms. Questo intervallo `e stato stimato maggiore del tempo di risposta delle bobine di compensazione legato alla loro induttanza sulla base di misure fatte in precedenza.

Il segnale uscente dal generatore di impulsi `e stato quindi mandato sia all’o- scilloscopio digitale sia ad un sommatore, tramite il quale `e stato sovrapposto al segnale continuo dell’alimentatore delle bobine di compensazione. La fluorescenza del pacchetto atomico `e stata eccitata utilizzando la radiazione proveniente da un

laser agganciato sulla transizione _{|F = 4% → |F = 5% e inviata nella zona di depo-}

sizione, con polarizzazione lineare. Notiamo che, essendo sufficientemente lontani dalle bobine di quadrupolo e di compensazione, non abbiamo dovuto preoccuparci di eventuali spostamenti Zeeman della risonanza atomica dovuti alla presenza di campi magnetici. La rivelazione avviene mediante un fototubo della Hamama- tsu, modello R955 a 12 stadi. Come si vede dalla fig. 4.1, il tempo di volo del pacchetto atomico, definito come l’intervallo tra la salita dell’impulso ed il picco del segnale di fluorescenza, risulta essere 39.7 ms. Nota quindi la distanza tra il centro della piramide, dove si suppone venga generato il pacchetto atomico, e la zona di rivelazione (45 cm), si ottiene una velocit`a media di circa 11 m/s.

impulsato di tensione mostrato in fig. 4.1 `e nullo) `e stato scelto abbastanza lungo da permettere un completo caricamento della MOT stessa; nelle nostre condizioni sperimentali, infatti, il tempo di carica `e tipicamente dell’ordine di 5 ms [38].

Per quanto riguarda l’intervallo temporale in cui viene generato il pacchetto atomico (8.6 ms), questo `e stato il minimo che ci ha consentito di osservare la fluorescenza con un ragionevole rapporto segnale/rumore. Una sua diminuzione avrebbe significativamente migliorato la risoluzione, che in questa misura `e molto bassa, visto che la FWHM del segnale di fluorescenza `e di 14.5 ms a fronte di un tempo di volo totale di 39.7 ms. Da misure precedenti, svolte utilizzando metodi

pi`u sofisticati (impulso laser di riflessione) e durate del pacchetto molto pi`u brevi

(_{∼ 300 µs), sappiamo che in realt`a la distribuzione delle velocit`a longitudinali ha} una larghezza pari a circa il 10% della velocit`a media. Nella nostra situazione per`o il miglioramento della risoluzione `e stato impedito dal flusso atomico ridotto rispetto alla situazione in cui sono state effettuate le misure di tempo di volo riportate in lavori precedenti [10, 54]; inoltre quelle misure erano state ottenute con una configurazione ottica ben diversa dall’attuale. Infatti all’epoca non era ancora stato montato il castello per la deposizione ed era disponibile un ampio accesso ottico, circostanza che poteva essere sfruttata per diminuire la raccolta di radiazione spuria (diffusa dagli elementi metallici della camera) migliorando il rapporto segnale/rumore.

Non abbiamo quindi utilizzato metodi pi`u sofisticati per la determinazione

della larghezza in velocit`a del nostro fascio atomico; questo per vari motivi: pri- mo, le simulazioni di cui abbiamo trattato nel capitolo 1 ci inducono a pensare che una minore riflettivit`a delle pareti interne della piramide non abbia un effetto particolarmente rilevante sulla monocromaticit`a del fascio atomico; secondo, dai risultati delle simulazioni riportate nel cap. 2 si nota come, per larghezze della distribuzione in velocit`a del fascio atomico intorno al m/s, gli effetti dell’aberra- zione cromatica sulla larghezza delle strutture siano piuttosto trascurabili; terzo, per avere una stima quantitativa della densit`a di flusso atomico, la quantit`a che maggiormente ci interessa conoscere, abbiamo bisogno della velocit`a media della distribuzione atomica, piuttosto che della sua larghezza.