Krata optyczna - Optical lattice

Atomy (reprezentowane jako niebieskie kule) przedstawione w siatkowym potencjale optycznym 2D (reprezentowane jako żółta powierzchnia).

Sieci optycznej jest utworzona przez zakłócenia przeciwbieżnych rozmnożeniowego laserowej wiązki, tworząc przestrzennie polaryzacji okresowego wzorca. Powstały potencjał okresowy może uwięzić neutralne atomy poprzez przesunięcie Starka . Atomy są chłodzone i gromadzą się w potencjalnych ekstremach (przy maksimach dla siatek odstrojonych do koloru niebieskiego i minimach dla siatek odstrojonych do czerwieni). Otrzymany układ atomów uwięzionych przypomina kryształ kraty i mogą być stosowane do symulacji kwantowej .

Atomy uwięzione w sieci optycznej mogą poruszać się w wyniku tunelowania kwantowego , nawet jeśli głębokość studni potencjału w punktach sieci przekracza energię kinetyczną atomów, która jest podobna do energii elektronów w przewodniku . Jednak przejście nadciekły – izolator Motta może wystąpić, jeśli energia interakcji między atomami stanie się większa niż energia przeskoków, gdy głębokość odwiertu jest bardzo duża. W fazie izolatora Motta atomy zostaną uwięzione w minimach potencjału i nie będą mogły się swobodnie poruszać, podobnie jak elektrony w izolatorze . W przypadku atomów fermionowych, jeśli głębokość odwiertu zostanie zwiększona, przewiduje się, że atomy utworzą antyferromagnetyk , tj. stan Néela w wystarczająco niskich temperaturach.

Parametry

Istnieją dwa ważne parametry sieci optycznej: głębokość odwiertu potencjalnego i okresowość .

Kontrola potencjalnej głębokości

Potencjał doświadczany przez atomy jest związany z intensywnością lasera użytego do wygenerowania sieci optycznej. Potencjalną głębokość siatki optycznej można dostroić w czasie rzeczywistym, zmieniając moc lasera, którą zwykle steruje AOM ( modulator akustyczno-optyczny ). AOM jest dostrojony tak, aby odchylać zmienną ilość mocy lasera na siatkę optyczną. Stabilizację mocy czynnej lasera siatkowego można osiągnąć poprzez sprzężenie zwrotne sygnału fotodiody do AOM.

Kontrola okresowości

Okresowość sieci optycznej można dostroić, zmieniając długość fali lasera lub zmieniając względny kąt między dwiema wiązkami laserowymi. Kontrola okresowości sieci w czasie rzeczywistym jest nadal trudnym zadaniem. Długość fali lasera nie może być łatwo zmieniana w dużym zakresie w czasie rzeczywistym, a więc okresowość sieci jest zwykle kontrolowana przez względny kąt między wiązkami laserowymi. Jednak trudno jest utrzymać stabilność sieci przy zmianie kątów względnych, ponieważ interferencja jest wrażliwa na względną fazę między wiązkami laserowymi. Lasery tytanowo-szafirowe , ze swoim dużym zakresem przestrajania, stanowią możliwą platformę do bezpośredniego dostrajania długości fali w optycznych systemach siatkowych.

Ciągłą kontrolę okresowości jednowymiarowej sieci optycznej przy jednoczesnym utrzymywaniu uwięzionych atomów in-situ po raz pierwszy zademonstrowano w 2005 r. przy użyciu jednoosiowego galwanometru serwosterowanego. Ta „sieć akordeonowa” była w stanie zmieniać okresowość sieci od 1,30 do 9,3 μm. Niedawno zademonstrowano inną metodę kontroli okresowości sieci w czasie rzeczywistym, w której prążek środkowy przesunął się o mniej niż 2,7 μm, podczas gdy okresowość sieci została zmieniona z 0,96 na 11,2 μm. Utrzymywanie atomów (lub innych cząstek) w pułapce podczas zmiany okresowości sieci wymaga jeszcze dokładniejszych badań eksperymentalnych. Takie sieci akordeonowe są przydatne do kontrolowania ultrazimnych atomów w sieciach optycznych, gdzie małe odstępy są niezbędne do tunelowania kwantowego, a duże odstępy umożliwiają manipulację w jednym miejscu i wykrywanie z rozdzielczością przestrzenną. W mikroskopach z gazem kwantowym regularnie przeprowadza się detekcję miejscową zajętości miejsc w sieci zarówno bozonów, jak i fermionów w warunkach wysokiego reżimu tunelowania.

Zasada działania

Podstawową sieć optyczną tworzy wzór interferencyjny dwóch przeciwbieżnych wiązek laserowych. Mechanizm pułapkowania polega na przesunięciu Starka, gdzie światło poza rezonansem powoduje przesunięcia do wewnętrznej struktury atomu. Efektem przesunięcia Starka jest wytworzenie potencjału proporcjonalnego do intensywności. Jest to ten sam mechanizm pułapkowania, co w optycznych pułapkach dipolowych (ODT), z tą różnicą, że intensywność sieci optycznej ma znacznie bardziej dramatyczną zmienność przestrzenną niż standardowy ODT.

Przesunięcie energii do (a tym samym potencjału doświadczanego przez) elektronowego stanu podstawowego jest określone przez niezależną od czasu teorię zaburzeń drugiego rzędu , w której gwałtowne zmiany w czasie potencjału sieci przy częstotliwościach optycznych zostały uśrednione w czasie. ${\ Displaystyle \ vert g_ {i} \ rangle}$

{\ Displaystyle U (\ mathbf {R} ) = \ Delta E_ {i} = {\ Frac {3 \ pi c ^ {2} \ Gamma {2 \ omega _ {0} ^ {3}}} ja ( \mathbf {r} )\times \sum _{j}{\frac {c_{ij}^{2}}{\Delta _{ij}}}}

gdzie są elementy macierzy przejścia dla przejść ze stanu podstawowego do stanów wzbudzonych . W przypadku systemu dwupoziomowego upraszcza się to:

{\textstyle \mu _{ij}=\langle e_{j}\vert \mu \vert g_{i}\rangle \equiv c_{ij}\|\mu \|}

{\textstyle \vert g_{i}\rangle }

{\textstyle \vert e_{j}\rangle }

{\ Displaystyle U (\ mathbf {R} ) = \ Delta E = {\ Frac {3 \ pi c ^ {2}} {2 \ omega _ {0} ^ {3}}} {\ Frac {\ Gamma} {\Delta }}Ja(\mathbf {r} )}

gdzie jest szerokość linii przejścia stanu wzbudzonego.

{\ Displaystyle \ Gamma}

Alternatywnym obrazem sił stymulowanego światła w wyniku efektu AC Starka jest postrzeganie procesu jako stymulowanego procesu Ramana, w którym atom redystrybuuje fotony między przeciwpropagującymi się wiązkami laserowymi, które tworzą sieć. Na tym zdjęciu wyraźniej widać, że atomy mogą uzyskać pęd z sieci tylko w jednostkach , gdzie jest pęd fotonu jednej wiązki laserowej. ${\ Displaystyle \ pm 2 \ hbar k}$ ${\ Displaystyle \ hbar k}$

Wyzwania techniczne

Potencjał pułapkowania doświadczany przez atomy w optycznej pułapce dipolowej jest słaby, zwykle poniżej 1 mK. Dlatego atomy muszą być znacznie schłodzone przed załadowaniem ich do sieci optycznej. Techniki chłodnicze stosowane w tym celu obejmują magnetooptycznych pułapki , Dopplera chłodzenia , chłodzenie polaryzacji gradientu , Ramana chłodzenia , rozwiązany bocznej chłodzenia i chłodzenia wyparnego .

Gdy zimne atomy zostaną załadowane do sieci optycznej, będą one ogrzewane przez różne mechanizmy, takie jak spontaniczne rozpraszanie fotonów z laserów sieci optycznej. Mechanizmy te ogólnie ograniczają czas życia eksperymentów sieci optycznej.

Badanie atomów w siatkach optycznych

Po schłodzeniu i uwięzieniu w sieci optycznej można nimi manipulować lub pozostawić do ewolucji. Typowe manipulacje obejmują „wstrząsanie” sieci optycznej poprzez zmianę względnej fazy między przeciwpropagującymi wiązkami lub modulację amplitudy sieci. Po wyewoluowaniu w odpowiedzi na potencjał sieci i wszelkie manipulacje atomy można obrazować za pomocą obrazowania absorpcyjnego.

Powszechną techniką obserwacji jest obrazowanie w czasie lotu (TOF). Obrazowanie TOF polega najpierw na odczekaniu pewnej ilości czasu, aż atomy wyewoluują w potencjale sieciowym, a następnie wyłączeniu potencjału sieciowego (poprzez wyłączenie mocy lasera za pomocą AOM). Atomy, teraz wolne, rozprzestrzeniają się w różnym tempie, w zależności od ich pędu. Kontrolując czas, w którym atomy mogą ewoluować, odległość przebyta przez atomy odwzorowuje, jaki musiał być ich stan pędu, gdy sieć została wyłączona. Ponieważ atomy w sieci mogą zmieniać pęd tylko o , charakterystycznym wzorem na obrazie TOF układu optyczno-sieciowego jest seria pików wzdłuż osi sieci w pędach , gdzie . Za pomocą obrazowania TOF można określić rozkład pędu atomów w sieci. W połączeniu z obrazami absorpcyjnymi in-situ (zrobionymi przy wciąż włączonej sieci), wystarczy to do określenia gęstości przestrzeni fazowej uwięzionych atomów, ważnej metryki do diagnozowania kondensacji Bosego-Einsteina (lub bardziej ogólnie, tworzenia się zdegenerowanych faz kwantowych materii). ${\ Displaystyle \ pm 2 \ hbar k}$ ${\ Displaystyle \ pm 2n \ hbar k}$ ${\ Displaystyle n \ w \ mathbb {Z}}$

Zastosowania

W symulacji kwantowej

Atomy w sieci optycznej zapewniają idealny układ kwantowy, w którym można kontrolować wszystkie parametry. Ponieważ atomy można obrazować bezpośrednio – co jest trudne w przypadku elektronów w ciałach stałych – można je wykorzystać do badania efektów, które trudno zaobserwować w prawdziwych kryształach. Techniki mikroskopii gazu kwantowego zastosowane do systemów optycznych z uwięzionymi atomami mogą nawet zapewnić rozdzielczość obrazowania w jednym miejscu ich ewolucji.

Poprzez zakłócanie różnej liczby wiązek w różnych geometriach można tworzyć różne geometrie sieci. Obejmują one od najprostszego przypadku dwóch przeciwbieżnych belek tworzących jednowymiarową siatkę, po bardziej złożone geometrie, takie jak siatki sześciokątne. Różnorodność geometrii, które można wytworzyć w optycznych układach siatkowych, pozwala na fizyczną realizację różnych hamiltonianów, takich jak model Bosego–Hubbarda , sieci Kagome i Sachdev–Ye–Kitaev oraz model Aubry–André. Badając ewolucję atomów pod wpływem tych hamiltonianów, można uzyskać wgląd w rozwiązania hamiltonianu. Jest to szczególnie istotne w przypadku skomplikowanych hamiltonianów, które nie są łatwe do rozwiązania przy użyciu technik teoretycznych lub numerycznych, takich jak te dla układów silnie skorelowanych.

Zegary optyczne

Najlepsze zegary atomowe na świecie wykorzystują atomy uwięzione w siatkach optycznych, aby uzyskać wąskie linie widmowe, na które nie ma wpływu efekt Dopplera i odrzut .

Informacje kwantowe

Są również obiecującymi kandydatami do kwantowego przetwarzania informacji .

Interferometria atomowa

Wstrząśnięte sieci optyczne – w których faza sieci jest modulowana, powodując skanowanie wzoru sieci tam iz powrotem – można wykorzystać do kontrolowania stanu pędu atomów uwięzionych w sieci. Ta kontrola jest wykonywana, aby podzielić atomy na populacje o różnych pędach, propagować je w celu akumulacji różnic fazowych między populacjami i rekombinować je w celu wytworzenia wzoru interferencji.

Inne zastosowania

Oprócz wychwytywania zimnych atomów, siatki optyczne są szeroko stosowane w tworzeniu siatek i kryształów fotonicznych . Są one również przydatne do sortowania mikroskopijnych cząstek i mogą być przydatne do składania macierzy komórek .

Languages

In other projects