Elektromagnetisch induzierte Transparenz – Wikipedia

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Die Wirkung von EIT auf eine typische Absorptionslinie. Eine schwache Sonde erfährt normalerweise eine blau dargestellte Absorption. Ein zweiter Kopplungsstrahl induziert EIT und erzeugt ein “Fenster” im Absorptionsbereich (rot). Dieses Diagramm ist eine Computersimulation der EIT in einem InAs / GaAs-Quantenpunkt

Elektromagnetisch induzierte Transparenz ((EIT) ist eine kohärente optische Nichtlinearität, die ein Medium innerhalb eines engen Spektralbereichs um eine Absorptionslinie transparent macht. Innerhalb dieses Transparenzfensters wird auch eine extreme Streuung erzeugt, die zu “langsamem Licht” führt, das nachstehend beschrieben wird. Es ist im Wesentlichen ein Quanteninterferenzeffekt, der die Ausbreitung von Licht durch ein ansonsten undurchsichtiges atomares Medium ermöglicht.[1]

Die Beobachtung der EIT umfasst zwei optische Felder (hochkohärente Lichtquellen wie Laser), die so abgestimmt sind, dass sie mit drei Quantenzuständen eines Materials interagieren. Das “Sonden” -Feld ist nahe der Resonanz zwischen zwei der Zustände abgestimmt und misst das Absorptionsspektrum des Übergangs. Ein viel stärkeres “Kopplungs” -Feld wird in der Nähe der Resonanz an einem anderen Übergang abgestimmt. Wenn die Zustände richtig ausgewählt sind, erzeugt das Vorhandensein des Kopplungsfeldes ein spektrales “Fenster” der Transparenz, das von der Sonde erfasst wird. Der Kopplungslaser wird manchmal als “Steuerung” oder “Pumpe” bezeichnet, wobei letztere in Analogie zu inkohärenten optischen Nichtlinearitäten wie spektralem Lochbrennen oder Sättigung steht.

EIT basiert auf der destruktiven Interferenz der Übergangswahrscheinlichkeitsamplitude zwischen Atomzuständen. Eng verwandt mit der EIT sind Phänomene des kohärenten Populationsfallen (CPT).

Die Quanteninterferenz in der EIT kann genutzt werden, um Atomteilchen bis in den quantenmechanischen Grundbewegungszustand zu laserkühlen.[2] Dies wurde 2015 verwendet, um einzelne Atome, die in einem optischen Gitter gefangen sind, direkt abzubilden.[3]

Mittlere Anforderungen[edit]

EIT-Level-Schemata können in drei Kategorien unterteilt werden. V, Leiter und Lambda.

Die Konfiguration der drei Zustände unterliegt besonderen Einschränkungen. Zwei der drei möglichen Übergänge zwischen den Zuständen müssen “Dipol erlaubt” sein, dh die Übergänge können durch ein oszillierendes elektrisches Feld induziert werden. Der dritte Übergang muss “Dipol verboten” sein. Einer der drei Zustände ist durch die beiden optischen Felder mit den beiden anderen verbunden. Die drei Arten von EIT-Schemata unterscheiden sich durch die Energieunterschiede zwischen diesem Zustand und den beiden anderen. Die Schemata sind Leiter, V und Lambda. Jedes reale Materialsystem kann viele Tripletts von Zuständen enthalten, die theoretisch die EIT unterstützen könnten, aber es gibt mehrere praktische Einschränkungen, welche Ebenen tatsächlich verwendet werden können.

Wichtig sind auch die Dephasierungsraten der einzelnen Staaten. In jedem realen System bei einer Temperatur ungleich Null gibt es Prozesse, die ein Verwürfeln der Phase der Quantenzustände verursachen. In der Gasphase bedeutet dies üblicherweise Kollisionen. In Festkörpern beruht die Dephasierung auf der Wechselwirkung der elektronischen Zustände mit dem Wirtsgitter. Die Dephasierung des Staates

|3⟩{ displaystyle | 3 rangle}

ist besonders wichtig; im Idealfall

|3⟩{ displaystyle | 3 rangle}

sollte ein robuster, metastabiler Zustand sein.

Zur Zeit[when?] Die EIT-Forschung verwendet Atomsysteme in verdünnten Gasen, festen Lösungen oder exotischeren Zuständen wie Bose-Einstein-Kondensat. EIT wurde elektromechanisch demonstriert[4] und optomechanisch[5] Systeme, wo es als optomechanisch induzierte Transparenz bekannt ist. Es wird auch an Halbleiter-Nanostrukturen wie Quantentöpfen gearbeitet.[6]Quantendrähte und Quantenpunkte.[7][8]

Das EIT wurde erstmals theoretisch von Professor Jakob Khanin und der Doktorandin Olga Kocharovskaya an der Gorki-Staatsuniversität (1990 in Nischni Nowgorod umbenannt) in Russland vorgeschlagen.[9] Es gibt jetzt verschiedene Ansätze für eine theoretische Behandlung von EIT. Ein Ansatz besteht darin, die Dichtematrixbehandlung zu erweitern, die verwendet wird, um die Rabi-Oszillation eines Zwei-Zustands-Einzelfeldsystems abzuleiten. In diesem Bild kann die Wahrscheinlichkeitsamplitude für die Übertragung des Systems zwischen Zuständen destruktiv interferieren und die Absorption verhindern. In diesem Zusammenhang bezieht sich “Interferenz” auf Interferenz zwischen Quantenereignisse (Übergänge) und keine optischen Störungen jeglicher Art. Betrachten Sie als spezifisches Beispiel das oben gezeigte Lambda-Schema. Die Absorption der Sonde wird durch Übergang von definiert

|1⟩{ displaystyle | 1 rangle}

zu

|2⟩{ displaystyle | 2 rangle}

. Die Felder können die Bevölkerung von treiben

|1⟩{ displaystyle | 1 rangle}

– –

|2⟩{ displaystyle | 2 rangle}

direkt oder von

|1⟩{ displaystyle | 1 rangle}

– –

|2⟩{ displaystyle | 2 rangle}

– –

|3⟩{ displaystyle | 3 rangle}

– –

|2⟩{ displaystyle | 2 rangle}

. Die Wahrscheinlichkeitsamplituden für die verschiedenen Pfade stören destruktiv. Wenn

|3⟩{ displaystyle | 3 rangle}

hat eine vergleichsweise lange Lebensdauer, dann wird das Ergebnis ein transparentes Fenster vollständig innerhalb der

|1⟩{ displaystyle | 1 rangle}

– –

|2⟩{ displaystyle | 2 rangle}

Absorptionslinie.

Ein anderer Ansatz ist das Bild “gekleideter Zustand”, bei dem das System + Kopplungsfeld Hamiltonian diagonalisiert ist und die Wirkung auf die Sonde auf der neuen Basis berechnet wird. In diesem Bild ähnelt EIT einer Kombination aus Autler-Townes-Spaltung und Fano-Interferenz zwischen den gekleideten Staaten. Zwischen den Dublettpeaks in der Mitte des Transparenzfensters heben sich die Quantenwahrscheinlichkeitsamplituden für die Sonde auf, um einen Übergang in einen der beiden Zustandszustände zu bewirken.

Ein Polaritonenbild ist besonders wichtig für die Beschreibung von Stopplichtschemata. Hier werden die Photonen der Sonde kohärent in “Polaritonen im dunklen Zustand” “transformiert”, die Anregungen des Mediums sind. Diese Anregungen existieren (oder können “gespeichert” werden) für eine Zeitdauer, die nur von den Dephasierungsraten abhängt.

Langsames Licht und gestopptes Licht[edit]

Schnelle Änderung des Brechungsindex (blau) in einem Bereich mit sich schnell ändernder Absorption (grau) im Zusammenhang mit EIT. Die steilen und positiv Der lineare Bereich des Brechungsindex in der Mitte des Transparenzfensters führt zu langsamem Licht

Es ist wichtig zu wissen, dass EIT nur einer von vielen verschiedenen Mechanismen ist, die langsames Licht erzeugen können. Die Kramers-Kronig-Beziehungen schreiben vor, dass eine Änderung der Absorption (oder Verstärkung) über einen engen Spektralbereich mit einer Änderung des Brechungsindex über einen ähnlich engen Bereich einhergehen muss. So schnell und positiv Eine Änderung des Brechungsindex führt zu einer extrem niedrigen Gruppengeschwindigkeit.[10] Die erste experimentelle Beobachtung der vom EIT erzeugten niedrigen Gruppengeschwindigkeit wurde 1991 von Boller, İmamoğlu und Harris an der Stanford University in Strontium durchgeführt. 1999 berichtete Lene Hau über eine Verlangsamung des Lichts in einem Medium aus ultrakalten Natriumatomen.[11] Dies wird durch die Verwendung von Quanteninterferenzeffekten erreicht, die für die elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT) verantwortlich sind.[12] Ihre Gruppe führte mit Stephen E. Harris umfangreiche Untersuchungen zum EIT durch. “Mit detaillierten numerischen Simulationen und analytischer Theorie untersuchen wir die Eigenschaften von Mikrohohlräumen, die Materialien enthalten, die elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT) oder ultraschwaches Licht (USL) aufweisen. Wir stellen fest, dass solche Systeme zwar eine Miniaturgröße haben ( Wellenlänge) und integrierbar können einige herausragende Eigenschaften aufweisen. Insbesondere könnten sie eine um Größenordnungen längere Lebensdauer als andere bestehende Systeme aufweisen und eine nichtlineare volloptische Schaltung bei Einzelphotonenleistungspegeln aufweisen. Mögliche Anwendungen umfassen Miniaturatome Uhren und rein optische Quanteninformationsverarbeitung. “[13] Der aktuelle Rekord für langsames Licht in einem EIT-Medium wird 1999 von Budker, Kimball, Rochester und Yashchuk an der UC Berkeley gehalten. Gruppengeschwindigkeiten von nur 8 m / s wurden in einem warmen thermischen Rubidiumdampf gemessen.[14]

Gestoppt Licht bezieht sich im Kontext eines EIT-Mediums auf das kohärent Übertragung von Photonen zum Quantensystem und wieder zurück. Dies beinhaltet im Prinzip ein Umschalten aus der Kopplungsstrahl adiabatisch, während sich der Sondenpuls noch im EIT-Medium befindet. Es gibt experimentelle Hinweise auf eingeschlossene Impulse im EIT-Medium. Im [15] Die Autoren erzeugten einen stationären Lichtimpuls innerhalb der atomaren kohärenten Medien. 2009 demonstrierten Forscher der Harvard University und des MIT einen optischen Schalter mit wenigen Photonen für die Quantenoptik, der auf den Ideen für langsames Licht basiert.[16]Lene Hau und ein Team der Harvard University demonstrierten als erste Bremslichter.[17]

EIT-Kühlung[edit]

Dreistufige Lambda-Struktur, die für die EIT-Kühlung verwendet wird, mit den Rabi-Frequenzen

EIT wurde verwendet, um lange Atomketten in einer Ionenfalle auf ihren Bewegungsgrundzustand zu kühlen.[18] Betrachten Sie zur Veranschaulichung der Kühltechnik ein dreistufiges Atom mit einem Grundzustand

|G⟩{ displaystyle | g rangle}

ein aufgeregter Zustand

|e⟩{ displaystyle | e rangle}

und einen stabilen oder metastabilen Zustand

|m⟩{ displaystyle | m rangle}

das liegt dazwischen. Der aufgeregte Zustand

|e⟩{ displaystyle | e rangle}

ist Dipol gekoppelt an

|m⟩{ displaystyle | m rangle}

und

|G⟩{ displaystyle | g rangle}

. Ein intensiver “Kopplungs” -Laser treibt den

|m⟩→|e⟩{ displaystyle | m rangle rightarrow | e rangle}

Übergang bei Verstimmung

Δm{ displaystyle Delta _ {m}}

über Resonanz. Aufgrund der Quanteninterferenz der Übergangsamplituden treibt ein schwächerer “kühlender” Laser den

|G⟩→|e⟩{ displaystyle | g rangle rightarrow | e rangle}

Übergang bei Verstimmung

ΔG{ displaystyle Delta _ {g}}

über der Resonanz sieht man ein Fano-ähnliches Merkmal im Absorptionsprofil. EIT-Kühlung wird realisiert, wenn

ΔG=Δm{ displaystyle Delta _ {g} = Delta _ {m}}

, so dass der Trägerübergang

|G,n⟩→|e,n⟩{ displaystyle | g, n rangle rightarrow | e, n rangle}

liegt auf der dunklen Resonanz des Fano-ähnlichen Merkmals, wo

n{ displaystyle n}

wird verwendet, um den quantisierten Bewegungszustand des Atoms zu markieren. Die Rabi-Frequenz

Ωm{ displaystyle Omega _ {m}}

des Kopplungslasers wird so gewählt, dass die

|G,n⟩→|e,n– –1⟩{ displaystyle | g, n rangle rightarrow | e, n-1 rangle}

Das “rote” Seitenband liegt auf dem schmalen Maximum des Fano-ähnlichen Merkmals. Umgekehrt die

|G,n⟩→|e,n+1⟩{ displaystyle | g, n rangle rightarrow | e, n + 1 rangle}

Das “blaue” Seitenband liegt in einem Bereich mit geringer Anregungswahrscheinlichkeit, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Aufgrund des großen Verhältnisses der Anregungswahrscheinlichkeiten wird die Abkühlungsgrenze im Vergleich zur Doppler- oder Seitenbandkühlung (bei gleicher Abkühlrate) gesenkt.[19]

Absorptionsprofil vom Kühllaser als Funktion der Verstimmung gesehen

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ Liu, Chien; Dutton, Zachary; Behroozi, Cyrus H.; Hau, Lene Vestergaard (2001). “Beobachtung der kohärenten optischen Informationsspeicherung in einem atomaren Medium unter Verwendung angehaltener Lichtimpulse”. Natur. 409 (6819): 490–493. Bibcode:2001Natur.409..490L. doi:10.1038 / 35054017. PMID 11206540. S2CID 1894748.
  2. ^ Morigi, Giovanna (2000). “Grundzustands-Laserkühlung mit elektromagnetisch induzierter Transparenz”. Briefe zur körperlichen Überprüfung. 85 (21): 4458–4461. arXiv:quant-ph / 0005009. Bibcode:2000PhRvL..85.4458M. doi:10.1103 / PhysRevLett.85.4458. PMID 11082570. S2CID 12580278.
  3. ^ Haller, Elmar; Hudson, James; Kelly, Andrew; Cotta, Dylan A.; Peaudecerf, Bruno; Bruce, Graham D.; Kuhr, Stefan (2015). “Einzelatom-Bildgebung von Fermionen in einem Quantengasmikroskop”. Naturphysik. 11 (9): 738–742. arXiv:1503.02005. Bibcode:2015NatPh..11..738H. doi:10.1038 / nphys3403. S2CID 51991496.
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  5. ^ Safavi-Naeini, AH; Alegre, TP Mayer; Chan, J.; Eichenfield, M.; Winger, M.; Lin, Q.; Hill, JT; Chang, DE; Maler, O. (2011). “Elektromagnetisch induzierte Transparenz und langsames Licht mit Optomechanik”. Natur. 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). “Laserinduzierte Quantenkohärenz in einem Halbleiterquantentopf”. Briefe zur körperlichen Überprüfung. 84 (5): 1019–1022. 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). “Kohärente Populationseinfangung eines Elektronenspins in einem einzelnen negativ geladenen Quantenpunkt”. Naturphysik. 4 (9): 692–695. doi:10.1038 / nphys1054. ISSN 1745-2473. S2CID 8098743.
  8. ^ Brunner, Daniel; Gerardot, Brian D.; Dalgarno, Paul A.; Wüst, Gunter; Karrai, Khaled; Stoltz, Nick G.; Petroff, Pierre M.; Warburton, Richard J. (2009). “Ein kohärenter Einloch-Spin in einem Halbleiter”. Wissenschaft. 325 (5936): 70–72. doi:10.1126 / science.1173684. ISSN 0036-8075. PMID 19574387. S2CID 31505564.
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  10. ^ Rostovtsev, Yuri; Kocharovskaya, Olga; Welch, George R.; Scully, Marlan O. (2002). “Langsames, ultraschwaches, gespeichertes und gefrorenes Licht”. Optik und Photonik Nachrichten. 13 (6): 44. doi:10.1364 / OPN.13.6.000044.
  11. ^ “Lene Hau”. Physicscentral.com. Abgerufen 28.01.2013.
  12. ^ “Archivierte Kopie” (PDF). Archiviert von das Original (PDF) am 11.06.2010. Abgerufen 28.01.2013.CS1-Wartung: Archivierte Kopie als Titel (Link)
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  15. ^ Bajcsy, M.; Zibrov, AS; Lukin, MD (2003). “Stationäre Lichtimpulse in einem atomaren Medium”. Natur. 426 (6967): 638–641. arXiv:quant-ph / 0311092. Bibcode:2003Natur.426..638B. doi:10.1038 / nature02176. PMID 14668857. S2CID 4320280.
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  18. ^ Lechner, Regina; Maier, Christine; Hempell, Cornelius; Jurcevic, Petar; Lanyon, Ben; Monz, Thomas; Brownnutt, Michael; Blatt, Rainer; Roos, Christian (2016). “Elektromagnetisch induzierte Transparenz-Grundzustandskühlung langer Ionenstränge”. Körperliche Überprüfung A.. 93 (5). doi:10.1103 / PhysRevA.93.053401. hdl:10722/248563.
  19. ^ Morigi, Giovanna; Eschner, Jürgen; Christoph, Keitel (2000). “Grundzustands-Laserkühlung mit elektromagnetisch induzierter Transparenz”. Briefe zur körperlichen Überprüfung. 85 (21). doi:10.1103 / PhysRevLett.85.4458.

Hauptarbeit[edit]

  • O.Kocharovskaya, Ya.I.Khanin, Sov. Phys. JETP, 63945 (1986)
  • KJ Boller, A. Amamoğlu, SE Harris, Physical Review Letters 662593 (1991)
  • Eberly, JH, ML Pons und HR Haq, Phys. Rev. Lett. 7256 (1994)
  • D. Budker, DF Kimball, SM Rochester und VV Yashchuk, Physical Review Letters, 83S. 1767 (1999)
  • Lene Vestergaard Hau, SE Harris, Zachary Dutton, Cyrus H. Behroozi, Nature v.397, S. 594 (1999)
  • DF Phillips, A. Fleischhauer, A. Mair, RL Walsworth, MD Lukin, Physical Review Letters 86783 (2001)
  • Naomi S. Ginsberg, Sean R. Garner, Lene Vestergaard Hau, Natur 445623 (2007)

Rezension[edit]

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