Электромагнитно-индуцированная прозрачность

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

Электромагнитно-индуцированная прозрачность ( ЭИП ) — это когерентная оптическая нелинейность , которая делает среду прозрачной в узком спектральном диапазоне вокруг линии поглощения . В этом «окне» прозрачности также создается экстремальная дисперсия , что приводит к « медленному свету », описанному ниже. По сути, это эффект квантовой интерференции, который позволяет свету распространяться через атомную среду, которая в противном случае была бы непрозрачной. ^[1]

Наблюдение EIT включает два оптических поля (высококогерентные источники света, такие как лазеры ), которые настроены на взаимодействие с тремя квантовыми состояниями материала. Поле «зонда» настроено 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. Связующий лазер иногда называют «управляющим» или «насосом», последнее по аналогии с некогерентными оптическими нелинейностями, такими как выжигание спектральных провалов или насыщение.

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

Квантовая интерференция в EIT может быть использована для лазерного охлаждения атомных частиц, даже до квантово-механического основного состояния движения. ^[2] Это было использовано в 2015 году для прямого получения изображений отдельных атомов, захваченных в оптической решетке . ^[3]

Средние требования

Схемы уровня EIT можно разделить на три категории: V-образные, лестничные и лямбда-схемы.

Существуют определенные ограничения на конфигурацию трех состояний. Два из трех возможных переходов между состояниями должны быть «дипольно разрешенными», т. е. переходы могут быть вызваны осциллирующим электрическим полем. Третий переход должен быть «дипольно запрещенным». Одно из трех состояний связано с двумя другими двумя оптическими полями. Три типа схем EIT различаются по разнице энергий между этим состоянием и двумя другими. Схемы — это лестница, V-образная и лямбда. Любая реальная материальная система может содержать много триплетов состояний, которые теоретически могли бы поддерживать EIT, но есть несколько практических ограничений на то, какие уровни могут быть фактически использованы.

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

В настоящее время ^{[ когда? ]} исследования EIT используют атомные системы в разбавленных газах, твердых растворах или более экзотических состояниях, таких как конденсат Бозе-Эйнштейна . EIT был продемонстрирован в электромеханических ^[4] и оптомеханических ^[5] системах, где он известен как оптомеханически индуцированная прозрачность. Работа также ведется в полупроводниковых наноструктурах, таких как квантовые ямы , ^[6] квантовые провода и квантовые точки . ^{[7] [8]}

Теория

EIT был впервые теоретически предложен профессором Якобом Ханиным и аспиранткой Ольгой Кочаровской в ​​Горьковском государственном университете (переименованном в Нижний Новгород в 1990 году), Россия; ^[9] в настоящее время существует несколько различных подходов к теоретическому рассмотрению EIT. Один из подходов заключается в расширении обработки матрицы плотности , используемой для управления осцилляциями Раби двухуровневой системы с одним полем. На этой картине амплитуда вероятности перехода системы между состояниями может деструктивно интерферировать , 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 из в . Поля могут управлять популяцией из - напрямую или из - - - . Амплитуды вероятности для различных путей интерферируют деструктивно. Если имеет сравнительно большое время жизни, то результатом будет прозрачное окно 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 системы + поля связи диагонализируется, а эффект на зонде вычисляется в новом базисе. В этой картине EIT напоминает комбинацию расщепления Аутлера-Таунса и интерференции Фано между одетыми состояниями. Между пиками дублета, в центре окна прозрачности, квантовые амплитуды вероятности для зонда вызвать переход в любое из состояний отменяются.

Поляритонное изображение особенно важно 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 скоростей дефазировки.

Медленный свет и остановившийся свет

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

EIT — это 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 такой же узкой области. Это быстрое и положительное изменение показателя преломления приводит к чрезвычайно низкой групповой скорости . ^[10] Первое экспериментальное наблюдение низкой групповой скорости, производимой 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 , ^[11] достигнув этого с помощью эффектов квантовой интерференции, ответственных за электромагнитно-индуцированную прозрачность (EIT). ^[12] Ее группа провела обширные исследования в отношении EIT со Стивеном Э. Харрисом . «Используя детальное численное моделирование и аналитическую теорию, мы изучаем свойства микрополостей, которые включают материалы, которые демонстрируют электромагнитно-индуцированную прозрачность (EIT) или сверхмедленный свет (USL). Мы обнаружили, что такие системы, будучи миниатюрными по размеру (порядка длины волны) и интегрируемыми, 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 одного фотона. Потенциальные приложения включают миниатюрные атомные часы и полностью оптическую квантовую обработку информации». ^[13] Текущий рекорд для медленного света в среде EIT принадлежит Будкеру, Кимбаллу, Рочестеру и Ящуку из Калифорнийского университета в Беркли в 1999 году. Групповые скорости до 8 м/с были измерены в теплых термических парах рубидия . ^[14]

Остановленный свет в контексте среды EIT относится к когерентному переносу фотонов в квантовую систему и обратно. В принципе, это включает в себя отключение связующего луча адиабатическим способом , пока зондирующий импульс все еще находится внутри среды EIT. Существуют экспериментальные доказательства захваченных импульсов в среде EIT. Авторы создали стационарный световой импульс внутри атомной когерентной среды. ^[15] 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. ^[16] Лин Хау и группа из Гарвардского университета были первыми, кто продемонстрировал остановленный свет. ^[17]

охлаждение ЭИТ

Трехуровневая лямбда-структура, используемая для охлаждения ЭИТ, с частотами Раби и расстройками 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 состояния движения в ионной ловушке . ^[18] Чтобы проиллюстрировать метод 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 «связывающий» лазер управляет переходом при отстройке выше резонанса. Из-за квантовой интерференции амплитуд перехода более слабый «охлаждающий» лазер, управляющий переходом при отстройке выше резонанса, видит особенность типа Фано на профиле поглощения. Охлаждение EIT реализуется, когда , так что переход носителя лежит на темном резонансе особенности типа Фано , где используется для обозначения квантованного состояния движения атома. Частота Раби связывающего лазера выбирается таким образом, чтобы «красная» боковая полоса лежала на узком максимуме особенности типа Фано . Наоборот, «синяя» боковая полоса лежит в области низкой вероятности возбуждения, как показано на рисунке ниже. Из-за большого соотношения вероятностей возбуждения предел охлаждения снижается по сравнению с доплеровским или боковым охлаждением (при условии одинаковой скорости охлаждения). ^[19] ${\displaystyle |g\rangle }$ ${\displaystyle |e\rangle }$ ${\displaystyle |m\rangle }$ ${\displaystyle |e\rangle }$ ${\displaystyle |m\rangle }$ ${\displaystyle |g\rangle }$ ${\displaystyle |m\rangle \rightarrow |e\rangle }$ ${\displaystyle \Delta _{m}}$ ${\displaystyle |g\rangle \rightarrow |e\rangle }$ ${\displaystyle \Delta _{g}}$ ${\displaystyle \Delta _{g}=\Delta _{m}}$ ${\displaystyle |g,n\rangle \rightarrow |e,n\rangle }$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle \Omega _{m}}$ ${\displaystyle |g,n\rangle \rightarrow |e,n-1\rangle }$ ${\displaystyle |g,n\rangle \rightarrow |e,n+1\rangle }$

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

Смотрите также

• Атомная когерентность
• Электромагнитно-индуцированная решетка

Ссылки

1. Лю, Чиен; Даттон, Захари; Бехрузи, Сайрус Х.; Хау, Лене Вестергаард (2001). «Наблюдение за когерентным хранением оптической информации в атомной среде с использованием остановленных световых импульсов». Nature . 409 (6819): 490–493. Bibcode :2001Natur.409..490L. doi :10.1038/35054017. PMID  11206540. S2CID  1894748.
2. Мориджи, Джованна (2000). «Охлаждение основного состояния лазера с использованием электромагнитно-индуцированной прозрачности». Physical Review Letters . 85 (21): 4458–4461. arXiv : quant-ph/0005009 . Bibcode : 2000PhRvL..85.4458M. doi : 10.1103/PhysRevLett.85.4458. PMID  11082570. S2CID  12580278.
3. Халлер, Элмар; Хадсон, Джеймс; Келли, Эндрю; Котта, Дилан А.; Подесерф, Бруно; Брюс, Грэм Д.; Кюр, Стефан (2015). «Отдельноатомная визуализация фермионов в квантово-газовом микроскопе». Nature Physics . 11 (9): 738–742. arXiv : 1503.02005 . Bibcode :2015NatPh..11..738H. doi :10.1038/nphys3403. S2CID  51991496.
4. Тойфель, JD; Ли, Дейл; Оллман, MS; Чичак, К.; Сируа, AJ; Уиттакер, доктор медицинских наук; Симмондс, RW (2011). «Электромеханика резонаторов цепей в режиме сильной связи». Природа . 471 (7337): 204–208. arXiv : 1011.3067 . Бибкод : 2011Natur.471..204T. дои : 10.1038/nature09898. PMID  21390127. S2CID  4418446.
5. Safavi-Naeini, AH; Alegre, TP Mayer; Chan, J.; Eichenfield, M.; Winger, M.; Lin, Q.; Hill, JT; Chang, DE; Painter, O. (2011). «Электромагнитно-индуцированная прозрачность и медленный свет с оптомеханикой». Nature . 472 (7341): 69–73. arXiv : 1012.1934 . Bibcode :2011Natur.472...69S. doi :10.1038/nature09933. PMID  21412237. S2CID  4428942.
6. Serapiglia, GB; Paspalakis, E.; Sirtori, C.; Vodopyanov, KL; Phillips, CC (2000). «Лазерно-индуцированная квантовая когерентность в полупроводниковой квантовой яме». Physical Review Letters . 84 (5): 1019–1022. Bibcode : 2000PhRvL..84.1019S. doi : 10.1103/PhysRevLett.84.1019. ISSN  0031-9007. PMID  11017430.
7. Xu, Xiaodong; Sun, Bo; Berman, Paul R.; Steel, Duncan G.; Bracker, Allan S.; Gammon, Dan; Sham, LJ (2008). «Когерентное задержание электронного спина в одиночной отрицательно заряженной квантовой точке». Nature Physics . 4 (9): 692–695. arXiv : 0805.2074 . Bibcode :2008NatPh...4..692X. doi : 10.1038/nphys1054 . ISSN  1745-2473. S2CID  8098743.
8. Бруннер, Даниэль; Жерардо, Брайан Д.; Дальгарно, Пол А.; Вюст, Гюнтер; Каррай, Халед; Штольц, Ник Г.; Петрофф, Пьер М.; Уорбертон, Ричард Дж. (2009). «Когерентный спин одиночной дырки в полупроводнике». Science . 325 (5936): 70–72. Bibcode :2009Sci...325...70B. doi :10.1126/science.1173684. ISSN  0036-8075. PMID  19574387. S2CID  31505564.
9. "Физики Техасского университета A&M изобрели способ остановить свет | SpaceRef – Ваш космический справочник". SpaceRef. 2001-01-31 . Получено 2013-01-28 .
10. Ростовцев, Юрий; Кочаровская, Ольга; Уэлч, Джордж Р.; Скалли, Марлан О. (2002). «Медленный, сверхмедленный, сохраненный и замороженный свет». Optics and Photonics News . 13 (6): 44. doi :10.1364/OPN.13.6.000044.
11. "Lene Hau". Physicscentral.com . Получено 28.01.2013 .
12. Алекс Коэн (2006). "Остановочный свет" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2010-06-11 . Получено 2013-01-28 .
13. Soljacic, Marin; Lidorikis, Elefterios; Joannopoulos, John D.; Hau, Lene V. (2004). "Электромагнитно-индуцированная прозрачность в микрополостях". В Taylor, Edward W. (ред.). Photonics for Space Environments IX . Труды SPIE. Том 5554. стр. 174. doi :10.1117/12.562304. S2CID  137523967.
14. Будкер, Д.; Кимбалл, Д.Ф.; Рочестер, С.М.; Ящук, В.В. (1999). «Нелинейная магнитооптика и уменьшенная групповая скорость света в атомных парах с медленной релаксацией основного состояния». Physical Review Letters . 83 (9): 1767–1770. Bibcode :1999PhRvL..83.1767B. doi :10.1103/PhysRevLett.83.1767.
15. Bajcsy, M.; Zibrov, AS; Lukin, MD (2003). "Стационарные импульсы света в атомной среде". Nature . 426 (6967): 638–641. arXiv : quant-ph/0311092 . Bibcode :2003Natur.426..638B. doi :10.1038/nature02176. PMID  14668857. S2CID  4320280.
16. Bajcsy, M.; Hofferberth, S.; Balic, V.; Peyronel, T.; Hafezi, M.; Zibrov, AS; Vuletic, V.; Lukin, MD (2009). "Эффективное полностью оптическое переключение с использованием медленного света в полом волокне". Physical Review Letters . 102 (20): 203902. arXiv : 0901.0336 . Bibcode : 2009PhRvL.102t3902B. doi : 10.1103/PhysRevLett.102.203902. PMID  19519028. S2CID  5504022.
17. Гинсберг, Наоми С.; Гарнер, Шон Р.; Хау, Лене Вестергаард (2007). «Когерентное управление оптической информацией с помощью динамики материальных волн». Nature . 445 (7128): 623–626. doi :10.1038/nature05493. PMID  17287804. S2CID  4324343.
18. Лехнер, Регина; Майер, Кристина; Хемпелл, Корнелиус; Юрчевич, Петар; Лэньон, Бен; Монц, Томас; Брауннатт, Майкл; Блатт, Райнер; Роос, Кристиан (2016). «Охлаждение основного состояния длинных ионных струн за счет электромагнитно-индуцированной прозрачности». Physical Review A. 93 ( 5): 053401. arXiv : 1603.05568 . Bibcode : 2016PhRvA..93e3401L. doi : 10.1103/PhysRevA.93.053401. hdl : 10722/248563 . S2CID  227665214.
19. Мориджи, Джованна ; Эшнер, Юрген; Кристоф, Кейтель (2000). «Охлаждение основного состояния лазера с использованием электромагнитно-индуцированной прозрачности». Physical Review Letters . 85 (21): 4458–4461. arXiv : quant-ph/0005009 . Bibcode : 2000PhRvL..85.4458M. doi : 10.1103/PhysRevLett.85.4458. PMID  11082570. S2CID  12580278.

Основная работа

• О.Кочаровская, Я.И.Ханин, Сов. Физ. ЖЭТФ, 63 , стр.945 (1986)
• К. Дж. Боллер, А. Имамоглу , С. Э. Харрис , Physical Review Letters 66 , стр. 2593 (1991)
• Эберли, Дж. Х., М. Л. Понс и Х. Р. Хак, Phys. Rev. Lett. 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, стр.594 (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)

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. Europhysics News Vol. 35 No. 2
• М. Флейшхауэр, А. Имамоглу и Дж. П. Марангос (2005), «Электромагнитно-индуцированная прозрачность: оптика в когерентных средах», Reviews Modern Physics, 77 , 633