Электромагнитно индуцированная прозрачность - Electromagnetically induced transparency

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

Электромагнитно индуцированная прозрачность ( EIT ) - это когерентная оптическая нелинейность, которая делает среду прозрачной в узком спектральном диапазоне вокруг линии поглощения . В этом «окне» прозрачности также создается чрезвычайная дисперсия, которая приводит к « медленному свету », описанному ниже. По сути, это квантовый интерференционный эффект, который позволяет свету проходить через непрозрачную атомную среду.

Наблюдение за EIT включает в себя два оптических поля (высококогерентные источники света, такие как лазеры ), которые настроены на взаимодействие с тремя квантовыми состояниями материала. «Пробное» поле настраивается около резонанса между двумя состояниями и измеряет спектр поглощения перехода. Вблизи резонанса на другом переходе настраивается гораздо более сильное поле «связи». Если состояния выбраны правильно, наличие поля связи создаст спектральное «окно» прозрачности, которое будет обнаружено зондом. Связующий лазер иногда называют «управляющим» или «накачивающим» по аналогии с некогерентными оптическими нелинейностями, такими как выжигание или насыщение спектральных дыр .

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

Квантовая интерференция в EIT может быть использована для лазерного охлаждения атомных частиц, вплоть до квантово-механического основного состояния движения. Это было использовано в 2015 году для прямого изображения отдельных атомов, захваченных оптической решеткой .

Средние требования

Схемы уровней EIT можно разделить на три категории; vee, лестница и лямбда.

Существуют определенные ограничения на конфигурацию трех состояний. Два из трех возможных переходов между состояниями должны быть «дипольно разрешенными», то есть переходы могут быть вызваны осциллирующим электрическим полем. Третий переход должен быть «дипольным запретом». Одно из трех состояний связано с двумя другими двумя оптическими полями. Три типа схем EIT различаются разницей в энергии между этим состоянием и двумя другими. Это лестничная, V-образная и лямбда-схемы. Любая реальная материальная система может содержать множество триплетов состояний, которые теоретически могут поддерживать EIT, но есть несколько практических ограничений на то, какие уровни фактически могут использоваться.

Также важны скорости дефазировки отдельных состояний. В любой реальной системе при ненулевой температуре происходят процессы, вызывающие скремблирование фазы квантовых состояний. В газовой фазе это обычно означает столкновения. В твердых телах дефазировка происходит из-за взаимодействия электронных состояний с решеткой основы. Расфазировка состояния особенно важна; в идеале должно быть устойчивое, метастабильное состояние. ${\ displaystyle | 3 \ rangle}$${\ displaystyle | 3 \ rangle}$

В настоящее время исследования EIT используют атомные системы в разбавленных газах, твердых растворах или в более экзотических состояниях, таких как конденсат Бозе – Эйнштейна . EIT был продемонстрирован в электромеханических и оптомеханических системах, где он известен как оптомеханически индуцированная прозрачность . Также ведутся работы в области полупроводниковых наноструктур, таких как квантовые ямы , квантовые проволоки и квантовые точки .

Теория

Впервые EIT был теоретически предложен профессором Якобом Ханиным и аспирантом Ольгой Кочаровской из Горьковского государственного университета (переименованного в Нижний Новгород в 1990 году), Россия; в настоящее время существует несколько различных подходов к теоретическому рассмотрению EIT. Один из подходов состоит в расширении обработки матрицы плотности, используемой для получения осцилляций Раби системы с двумя состояниями и одним полем. На этом изображении 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 оптической интерференции любого рода. В качестве конкретного примера рассмотрим схему лямбда, показанную выше. Поглощение зонда определяется переходом от к . Поля могут вытеснять население из - напрямую или из - - - . Амплитуды вероятности для разных путей создают деструктивные помехи. Если имеет сравнительно долгий срок службы, то результат будет прозрачным окном полностью внутри - линии поглощения. ${\ displaystyle | 1 \ rangle}$${\ displaystyle | 2 \ rangle}$${\ displaystyle | 1 \ rangle}$${\ displaystyle | 2 \ rangle}$${\ displaystyle | 1 \ rangle}$${\ displaystyle | 2 \ rangle}$${\ displaystyle | 3 \ rangle}$${\ displaystyle | 2 \ rangle}$${\ displaystyle | 3 \ rangle}$${\ displaystyle | 1 \ rangle}$${\ displaystyle | 2 \ rangle}$

Другой подход - это картина « одетого состояния », в которой гамильтониан система + поле связи диагонализуется, а влияние на зонд рассчитывается в новом базисе. На этой картинке EIT напоминает комбинацию расщепления Аутлера-Таунса и интерференции Фано между одетыми состояниями. Между пиками дублета, в центре окна прозрачности, квантовые амплитуды вероятности для зонда, чтобы вызвать переход в любое состояние, отменяются.

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

Медленный свет и остановившийся свет

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

Важно понимать, что EIT - лишь один из множества 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 такой же узкой области. Это быстрое и положительное изменение показателя преломления приводит к чрезвычайно низкой групповой скорости . Первое экспериментальное наблюдение низкой групповой скорости, произведенное EIT, было проведено 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 , достигнув этого с помощью квантовых интерференционных эффектов, ответственных за электромагнитно индуцированную прозрачность (EIT). Ее группа провела обширное исследование EIT со Стивеном Харрисом . «Используя подробное численное моделирование и аналитическую теорию, мы изучаем свойства микрополостей, которые включают материалы, демонстрирующие электромагнитно-индуцированную прозрачность (EIT) или сверхмедленный свет (USL). Мы обнаружили, что такие системы, будучи миниатюрными по размеру ( порядка длины волны) и интегрируемые, могут обладать некоторыми выдающимися свойствами. В частности, они могут иметь срок службы на порядки больше, чем другие существующие системы, и могут демонстрировать нелинейное полностью оптическое переключение на уровнях мощности одиночных фотонов. Возможные применения включают миниатюрные атомные часы и полностью оптическая квантовая обработка информации ». Текущий рекорд медленного света в среде EIT установлен Будкером, Кимбаллом, Рочестером и Ящуком в Калифорнийском университете в Беркли в 1999 году. Групповые скорости до 8 м / с были измерены в теплых тепловых парах рубидия .

Остановленный свет в контексте среды EIT относится к когерентной передаче фотонов в квантовую систему и обратно. В принципе, это включает адиабатическое отключение связывающего луча, пока пробный импульс все еще находится внутри среды EIT. Имеются экспериментальные данные о захваченных импульсах в среде EIT. Авторы создали стационарный световой импульс внутри атомной когерентной среды. В 2009 году исследователи из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института продемонстрировали оптический переключатель на несколько фотонов для квантовой оптики, основанный на идеях медленного света. Лене Хау и команда из Гарвардского университета первыми продемонстрировали остановленный свет.

EIT охлаждение

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

EIT использовался для лазерного охлаждения длинных цепочек атомов до их основного подвижного состояния в ионной ловушке . Чтобы проиллюстрировать технику охлаждения, рассмотрим трехуровневый атом, как показано, с основным состоянием , возбужденным состоянием и стабильным или метастабильным состоянием, которое находится между ними. Возбужденное состояние дипольно связано с и . Интенсивный лазер «связи» управляет переходом с расстройкой выше резонанса. Из-за квантовой интерференции амплитуд переходов более слабый «охлаждающий» лазер, управляющий переходом при расстройке выше резонанса, обнаруживает на профиле поглощения характерную черту Фано . EIT-охлаждение реализуется, когда переход носителя находится на темном резонансе фано-подобной особенности, где используется для обозначения квантованного двигательного состояния атома. Частота Раби связующего лазера выбрана так, чтобы "красная" боковая полоса лежала на узком максимуме фано-подобной детали. И наоборот, «синяя» боковая полоса находится в области с низкой вероятностью возбуждения, как показано на рисунке ниже. Из-за большого отношения вероятностей возбуждения предел охлаждения снижен по сравнению с доплеровским охлаждением или охлаждением боковой полосы (при той же скорости охлаждения). ${\ displaystyle | g \ rangle}$${\ Displaystyle | е \ rangle}$${\ Displaystyle | м \ rangle}$${\ Displaystyle | е \ rangle}$${\ Displaystyle | м \ rangle}$${\ displaystyle | g \ rangle}$${\ Displaystyle | м \ rangle \ rightarrow | е \ rangle}$${\ displaystyle \ Delta _ {m}}$${\ displaystyle | g \ rangle \ rightarrow | e \ rangle}$${\ displaystyle \ Delta _ {g}}$${\ displaystyle \ Delta _ {g} = \ Delta _ {m}}$${\ displaystyle | g, n \ rangle \ rightarrow | e, n \ rangle}$${\ displaystyle n}$ ${\ displaystyle \ Omega _ {m}}$${\ displaystyle | g, n \ rangle \ rightarrow | e, n-1 \ rangle}$${\ displaystyle | g, n \ rangle \ rightarrow | e, n + 1 \ rangle}$

Профиль поглощения, видимый охлаждающим лазером, как функция отстройки . Частота Раби выбрана так, чтобы красная боковая полоса (красная пунктирная линия) лежала на узком пике фано-подобного элемента, а синяя боковая полоса (синяя пунктирная линия) лежала в области с низкой вероятностью. Носитель (черная пунктирная линия) лежит на темном резонансе, где отстройки равны, т. Е. Такое, что поглощение равно нулю.${\ displaystyle \ Delta _ {g}}$ ${\ displaystyle \ Omega _ {m}}$ ${\ displaystyle \ Delta _ {g} = \ Delta _ {m}}$

Смотрите также

• Атомная когерентность
• Электромагнитно-индуцированная решетка

Рекомендации

Основная работа

• О. Кочаровская, Я. И. Ханин, Сов. Phys. ЖЭТФ, 63 , с945 (1986)
• К. Дж. Боллер, А. Имамоглу , С. Э. Харрис , Physical Review Letters 66 , стр. 2593 (1991)
• Эберли, JH, ML Pons, и HR Haq, Phys. Rev. Lett. 72 , 56 (1994)
• Д. Будкер, Д. Ф. Кимбалл, С. М. Рочестер и В. В. Ящук, Physical Review Letters, 83 , p1767 (1999).
• Lene Vestergaard Hau , SE Harris , Zachary Dutton , Cyrus H. Behroozi, Nature v.397, p594 (1999)
• DF Phillips, A. Fleischhauer, A. Mair, RL Walsworth, MD Lukin, Physical Review Letters 86 , стр.783 (2001)
• Наоми С. Гинзберг , Шон Р. Гарнер , Лене Вестергаард Хау , Nature 445 , 623 (2007)

Рассмотрение

• Харрис, Стив (июль 1997 г.). Электромагнитно-индуцированная прозрачность . Physics Today , 50 (7), pp. 36–42 (в формате PDF)
• Захари Даттон , Наоми С. Гинзберг , Кристофер Слоу и Лене Вестергаард Хау (2004) Искусство приручения света: сверхмедленный и остановленный свет . Europhysics News Vol. 35 № 2
• М. Флейшхауэр, А. Имамоглу и Дж. П. Марангос (2005), " Электромагнитно индуцированная прозрачность: оптика в когерентных средах ", Обзоры современной физики, 77 , 633