Электромагнитно-индуцированная прозрачность

Влияние ЭИТ на типичную линию поглощения. Слабый зонд обычно испытывает поглощение, которое показано синим цветом. Второй луч связи индуцирует ЭИТ и создает «окно» в области поглощения (красный). Этот график представляет собой компьютерное моделирование ЭИП в квантовой точке InAs/GaAs.

Электромагнитно-индуцированная прозрачность ( ЭИТ ) представляет собой когерентную оптическую нелинейность , которая делает среду прозрачной в узком спектральном диапазоне вокруг линии поглощения . чрезвычайная дисперсия Внутри этого «окна» прозрачности также создается , которая приводит к « медленному свету », описанному ниже. По сути, это эффект квантовой интерференции, который позволяет свету распространяться через непрозрачную атомную среду.

Наблюдение ЭИТ включает два оптических поля (высококогерентные источники света, такие как лазеры ), которые настроены на взаимодействие с тремя квантовыми состояниями материала. «Зондовое» поле настраивается вблизи резонанса между двумя состояниями и измеряет спектр поглощения перехода. Гораздо более сильное поле «связи» настроено вблизи резонанса на другом переходе. Если состояния выбраны правильно, наличие поля связи создаст спектральное «окно» прозрачности, которое будет обнаружено зондом. Лазер связи иногда называют «управляющим» или «накачкой», последнее по аналогии с некогерентными оптическими нелинейностями, такими как выгорание или насыщение спектральных дыр .

ЭИТ основан на деструктивной интерференции амплитуды вероятности перехода между атомными состояниями. С EIT тесно связаны явления когерентного захвата населения (CPT).

Квантовая интерференция в ЭИТ может быть использована для лазерного охлаждения атомных частиц, вплоть до основного квантовомеханического состояния движения. Это было использовано в 2015 году для прямого изображения отдельных атомов, захваченных в оптическую решетку .

Средние требования

Схемы уровня EIT можно разделить на три категории; ви, лестница и лямбда.

Существуют определенные ограничения на настройку трех состояний. Два из трех возможных переходов между состояниями должны быть «дипольно разрешенными», т. е. переходы могут быть индуцированы осциллирующим электрическим полем. Третий переход должен быть «дипольно запрещенным». Одно из трех состояний связано с двумя другими двумя оптическими полями. Три типа схем ЭИТ различаются энергетическими различиями между этим состоянием и двумя другими. Схемы — лестничная, ви- и лямбда. Любая реальная материальная система может содержать множество троек состояний, которые теоретически могут поддерживать EIT, но существует несколько практических ограничений относительно того, какие уровни действительно можно использовать.

Также важны темпы дефазировки в отдельных штатах. В любой реальной системе при ненулевой температуре происходят процессы, вызывающие перепутывание фазы квантовых состояний. В газовой фазе это обычно означает столкновения. В твердых телах дефазировка обусловлена ​​взаимодействием электронных состояний с основной решеткой. Дефазировка государства $|3\rangle$ особенно важно; в идеале $|3\rangle$ должно быть устойчивое метастабильное состояние.

В настоящее время В исследованиях EIT используются атомные системы в разбавленных газах, твердых растворах или более экзотических состояниях, таких как конденсат Бозе-Эйнштейна . EIT был продемонстрирован в электромеханическом и оптико-механический системы, где это известно как оптомеханически индуцированная прозрачность . Работа также ведется в области полупроводниковых наноструктур, таких как квантовые ямы . квантовые провода и квантовые точки .

Теория

Впервые ЭИТ было теоретически предложено профессором Якобом Ханиным и аспиранткой Ольгой Кочаровской в ​​Горьковском государственном университете (переименованном в Нижний Новгород в 1990 году), Россия; В настоящее время существует несколько различных подходов к теоретическому рассмотрению ЭИТ. Один из подходов состоит в расширении метода матрицы плотности , используемого для управления колебаниями Раби в системе с одним полем и двумя состояниями. В этой картине амплитуда вероятности перехода системы между состояниями может деструктивно вмешиваться , предотвращая поглощение. В этом контексте «интерференция» относится к интерференции между квантовыми событиями (переходами), а не к какой-либо оптической интерференции. В качестве конкретного примера рассмотрим показанную выше лямбда-схему. Поглощение зонда определяется переходом от $|1\rangle$ к $|2\rangle$. Поля могут вытеснить население из $|1\rangle$- $|2\rangle$ напрямую или из $|1\rangle$- $|2\rangle$- $|3\rangle$- $|2\rangle$. Амплитуды вероятности для разных путей разрушительно интерферируют. Если $|3\rangle$ имеет сравнительно длительный срок службы, то в результате получится прозрачное окно, полностью находящееся внутри $|1\rangle$- $|2\rangle$ линия поглощения.

Другой подход - это картина « одетого состояния системы + поля связи », при которой гамильтониан диагонализуется и воздействие на зонд рассчитывается в новом базисе. В этой картине EIT напоминает комбинацию расщепления Отлера-Таунса и интерференции Фано между одетыми состояниями. Между пиками дублета, в центре окна прозрачности, амплитуды квантовой вероятности того, что зонд вызовет переход в любое состояние, компенсируются.

Поляритонная . картина особенно важна при описании схем остановленного света Здесь фотоны зонда когерентно «превращаются» в «поляритоны темного состояния», которые являются возбуждениями среды. Эти возбуждения существуют (или могут «храниться») в течение времени, зависящего только от скорости дефазировки.

Медленный свет и остановленный свет

Быстрое изменение показателя преломления (синий) в области быстро меняющегося поглощения (серый), связанное с ЭИТ. Крутая положительная линейная область показателя преломления в центре окна прозрачности приводит к медленному свету.

ЭИТ – лишь один из многих разнообразных механизмов, которые могут производить медленный свет . Соотношения Крамерса -Кронига диктуют, что изменение поглощения (или усиления) в узком спектральном диапазоне должно сопровождаться изменением показателя преломления в столь же узкой области. Это быстрое и положительное изменение показателя преломления приводит к чрезвычайно низкой групповой скорости . Первое экспериментальное наблюдение низкой групповой скорости, полученное с помощью EIT, было выполнено Боллером, Имамоглу и Харрисом в Стэнфордском университете в 1991 году в стронции . В 1999 году Лене Хау сообщила о замедлении света в среде ультрахолодных атомов натрия . достижение этого за счет использования эффектов квантовой интерференции, ответственных за электромагнитно-индуцированную прозрачность (EIT). Ее группа провела обширное исследование ЭИТ вместе со Стивеном Харрисом . «Используя детальное численное моделирование и аналитическую теорию, мы изучаем свойства микрополостей, которые содержат материалы, демонстрирующие электромагнитно-индуцированную прозрачность (EIT) или сверхмедленный свет (USL). Мы обнаруживаем, что такие системы, хотя и миниатюрны по размеру ( порядка длины волны) и интегрируемы, могут обладать некоторыми выдающимися свойствами. В частности, они могут иметь время жизни на несколько порядков больше, чем другие существующие системы, и могут демонстрировать нелинейное полностью оптическое переключение на уровнях мощности одиночных фотонов. Потенциальные приложения включают миниатюрные атомные системы. часы и полностью оптическая квантовая обработка информации». были измерены групповые скорости всего 8 м/с Текущий рекорд медленного света в среде EIT установлен Будкером, Кимбаллом, Рочестером и Ящуком из Калифорнийского университета в Беркли в 1999 году. В теплых термических парах рубидия .

Остановившийся свет в контексте среды EIT относится к когерентной передаче фотонов в квантовую систему и обратно. В принципе, это предполагает отключение связующего луча адиабатическое , пока зондирующий импульс все еще находится внутри среды EIT. Имеются экспериментальные доказательства наличия захваченных импульсов в среде ЭИТ. Авторы создали стационарный световой импульс внутри атомных когерентных сред. В 2009 году исследователи из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института продемонстрировали многофотонный оптический переключатель для квантовой оптики, основанный на идеях медленного света. Лене Хау и команда из Гарвардского университета первыми продемонстрировали остановленный свет.

ЭИТ охлаждение

Трехуровневая лямбда-структура, используемая для охлаждения EIT, с частотами Раби. $\displaystyle \Omega _{g},\Omega _{m}$и расстройки $\Delta _{g},\Delta _{m}$ охлаждающего и связующего лазера соответственно.

ЭИТ использовался для лазерного охлаждения длинных цепочек атомов до их основного состояния в ионной ловушке . Чтобы проиллюстрировать технику охлаждения, рассмотрим трехуровневый атом, показанный на рисунке с основным состоянием. $|g\rangle$, возбужденное состояние $|e\rangle$и стабильное или метастабильное состояние $|m\rangle$ то, что лежит между ними. Возбужденное состояние $|e\rangle$ диполь связан с $|m\rangle$ и $|g\rangle$. Мощный «связывающий» лазер управляет $|m\rangle \rightarrow |e\rangle$ переход при расстройке $\Delta _{m}$ выше резонанса. Из-за квантовой интерференции амплитуд переходов более слабый «охлаждающий» лазер, возбуждающий $|g\rangle \rightarrow |e\rangle$ переход при расстройке $\Delta _{g}$ Выше резонанса наблюдается особенность Фано в профиле поглощения. Охлаждение EIT реализуется, когда $\Delta _{g}=\Delta _{m}$, такой, что переход несущей $|g,n\rangle \rightarrow |e,n\rangle$ лежит в темном резонансе особенности типа Фано , где $n$ используется для обозначения квантованного двигательного состояния атома. Частота Раби $\Omega _{m}$ лазера связи выбирается таким образом, чтобы $|g,n\rangle \rightarrow |e,n-1\rangle$ «Красная» боковая полоса лежит на узком максимуме характеристики Фано . И наоборот $|g,n\rangle \rightarrow |e,n+1\rangle$ «Синяя» боковая полоса лежит в области низкой вероятности возбуждения, как показано на рисунке ниже. Из-за большого отношения вероятностей возбуждения предел охлаждения снижается по сравнению с доплеровским или боковым охлаждением (при одинаковой скорости охлаждения).

Профиль поглощения, видимый охлаждающим лазером, как функция расстройки $\Delta _{g}$. Частота Раби $\Omega _{m}$выбрано таким образом, чтобы красная боковая полоса (красная пунктирная линия) лежала на узком пике характеристики Фано, а синяя боковая полоса (синяя пунктирная линия) находилась в области низкой вероятности. Несущая (черная пунктирная линия) лежит на темном резонансе, где отстройки равны, т.е. $\Delta _{g}=\Delta _{m}$, такое, что поглощение равно нулю.

См. также

• Атомная когерентность
• Электромагнитно-индуцированная решетка

Ссылки

Основная работа

• О.Кочаровская, Я.И.Ханин, Сов. Физ. ЖЭТФ, 63 , стр.945 (1986)
• К. Дж. Боллер, А. Имамоглу , С. Е. Харрис , Physical Review Letters 66 , стр. 2593 (1991)
• Эберли Дж. Х., Понс М. Л. и Хак Х. Р., Phys. Преподобный Летт. 72 , 56 (1994)
• Д. Будкер, Д.Ф. Кимбалл, С.М. Рочестер и В.В. Ящук, Physical Review Letters, 83 , стр. 1767 (1999)
• Лене Вестергаард Хау , С.Э. Харрис , Закари Даттон , Сайрус Х. Бехрузи, Nature v.397, p594 (1999)
• Д.Ф. Филлипс, А. Флейшхауэр, А. Мэйр, Р.Л. Уолсворт, М.Д. Лукин, Physical Review Letters 86 , стр. 783 (2001)
• Наоми С. Гинзберг , Шон Р. Гарнер , Лене Вестергаард Хау , Nature 445 , 623 (2007)

Обзор

• Харрис, Стив (июль 1997 г.). Электромагнитно-индуцированная прозрачность. Архивировано 16 июля 2012 г. в Wayback Machine . Physics Today , 50 (7), стр. 36–42 (формат PDF)
• Закари Даттон , Наоми С. Гинзберг , Кристофер Слоу и Лене Вестергаард Хау (2004) Искусство укрощения света: сверхмедленный и остановленный свет . Новости Еврофизики Том. 35 № 2
• М. Флейшхауэр, А. Имамоглу и Дж. П. Марангос (2005), « Электромагнитно-индуцированная прозрачность: оптика в когерентных средах », Обзоры современной физики, 77 , 633