La transparencia inducida electromagnéticamente ( EIT ) es una no linealidad óptica coherente que hace que un medio sea transparente dentro de un rango espectral estrecho alrededor de una línea de absorción . También se crea una dispersión extrema dentro de esta "ventana" de transparencia que conduce a la " luz lenta ", que se describe a continuación. Es, en esencia, un efecto de interferencia cuántica que permite la propagación de la luz a través de un medio atómico opaco. [1]
La observación de la EIT implica dos campos ópticos (fuentes de luz altamente coherentes, como los láseres ) que están sintonizados para interactuar con tres estados cuánticos de un material. El campo de "sonda" se sintoniza cerca de la resonancia entre dos de los estados y mide el espectro de absorción de la transición. Un campo de "acoplamiento" mucho más fuerte se sintoniza cerca de la resonancia en una transición diferente. Si los estados se seleccionan correctamente, la presencia del campo de acoplamiento creará una "ventana" espectral de transparencia que será detectada por la sonda. El láser de acoplamiento a veces se denomina "control" o "bomba", este último en analogía con las no linealidades ópticas incoherentes, como la quema o la saturación de agujeros espectrales .
La EIT se basa en la interferencia destructiva de la amplitud de la probabilidad de transición entre estados atómicos. Estrechamente relacionados con la EIT están los fenómenos de captura coherente de población (CPT).
La interferencia cuántica en la EIT se puede aprovechar para enfriar con láser partículas atómicas, incluso hasta el estado de movimiento fundamental de la mecánica cuántica. [2] Esto se usó en 2015 para obtener imágenes directas de átomos individuales atrapados en una red óptica . [3]
Requisitos medios
Existen restricciones específicas sobre la configuración de los tres estados. Dos de las tres posibles transiciones entre los estados deben ser "dipolo permitido", es decir, las transiciones pueden ser inducidas por un campo eléctrico oscilante. La tercera transición debe ser "dipolo prohibido". Uno de los tres estados está conectado con los otros dos por los dos campos ópticos. Los tres tipos de esquemas de EIT se diferencian por las diferencias de energía entre este estado y los otros dos. Los esquemas son ladder, vee y lambda. Cualquier sistema material real puede contener muchos tripletes de estados que teóricamente podrían respaldar la EIT, pero existen varias limitaciones prácticas sobre los niveles que realmente se pueden usar.
También son importantes las tasas de desfase de los estados individuales. En cualquier sistema real a temperatura distinta de cero existen procesos que provocan una codificación de la fase de los estados cuánticos. En la fase gaseosa, esto suele significar colisiones. En los sólidos, el desfase se debe a la interacción de los estados electrónicos con la red del anfitrión. El desfasaje del estadoes especialmente importante; idealmente debe ser un estado robusto y metaestable.
Actualmente [ ¿cuándo? ] La investigación de EIT utiliza sistemas atómicos en gases diluidos, soluciones sólidas o estados más exóticos como el condensado de Bose-Einstein . La EIT se ha demostrado en sistemas electromecánicos [4] y optomecánicos [5] , donde se la conoce como transparencia inducida optomecánicamente . También se está trabajando en nanoestructuras semiconductoras como pozos cuánticos , [6] cables cuánticos y puntos cuánticos . [7] [8]
Teoría
La EIT fue propuesta teóricamente por primera vez por el profesor Jakob Khanin y la estudiante graduada Olga Kocharovskaya en la Universidad Estatal de Gorky (rebautizada como Nizhny Novgorod en 1990), Rusia; [9] En la actualidad, existen varios enfoques diferentes para un tratamiento teórico de la TIE. Un enfoque es extender el tratamiento de matriz de densidad utilizado para derivar la oscilación Rabi de un sistema de campo único de dos estados. En esta imagen, la amplitud de probabilidad para que el sistema se transfiera entre estados puede interferir destructivamente , evitando la absorción. En este contexto, "interferencia" se refiere a la interferencia entre eventos cuánticos (transiciones) y no a la interferencia óptica de ningún tipo. Como ejemplo específico, considere el esquema lambda que se muestra arriba. La absorción de la sonda se define por la transición de a . Los campos pueden conducir a la población de- directamente o de ---. Las amplitudes de probabilidad para los diferentes caminos interfieren destructivamente. Si tiene una vida útil comparativamente larga, entonces el resultado será una ventana transparente completamente dentro del - línea de absorción.
Otro enfoque es la imagen del " estado vestido ", en la que el sistema + campo de acoplamiento hamiltoniano se diagonaliza y el efecto sobre la sonda se calcula en la nueva base. En esta imagen, EIT se asemeja a una combinación de la división de Autler-Townes y la interferencia de Fano entre los estados vestidos. Entre los picos de doblete, en el centro de la ventana de transparencia, las amplitudes de probabilidad cuántica de la sonda provocan una transición a cualquier estado cancelado.
Una imagen de polariton es particularmente importante para describir esquemas de luz detenida. Aquí, los fotones de la sonda se "transforman" coherentemente en "polaritones en estado oscuro" que son excitaciones del medio. Estas excitaciones existen (o se pueden "almacenar") durante un período de tiempo que depende únicamente de las tasas de desfase.
Luz lenta y luz detenida
Es importante darse cuenta de que la EIT es solo uno de los muchos mecanismos diversos que pueden producir luz lenta . Las relaciones de Kramers-Kronig dictan que un cambio en la absorción (o ganancia) en un rango espectral estrecho debe ir acompañado de un cambio en el índice de refracción en una región igualmente estrecha. Este cambio rápido y positivo en el índice de refracción produce una velocidad de grupo extremadamente baja . [10] La primera observación experimental de la baja velocidad de grupo producida por EIT fue realizada por Boller, İmamoğlu y Harris en la Universidad de Stanford en 1991 en estroncio . En 1999, Lene Hau informó sobre la ralentización de la luz en un medio de átomos de sodio ultrafríos , [11] logrando esto mediante el uso de efectos de interferencia cuántica responsables de la transparencia inducida electromagnéticamente (EIT). [12] Su grupo realizó una abundante investigación sobre EIT con Stephen E. Harris . "Utilizando simulaciones numéricas detalladas y teoría analítica, estudiamos las propiedades de las microcavidades que incorporan materiales que exhiben Transparencia Inducida Electromagnéticamente (EIT) o Luz Ultra Lenta (USL). Encontramos que tales sistemas, aunque son de tamaño miniatura ( orden de longitud de onda), e integrables, pueden tener algunas propiedades sobresalientes. En particular, podrían tener vidas útiles órdenes de magnitud más largas que otros sistemas existentes, y podrían exhibir conmutación no lineal totalmente óptica a niveles de potencia de un solo fotón. relojes y procesamiento de información cuántica totalmente óptico ". [13] El récord actual de luz lenta en un medio EIT lo tienen Budker, Kimball, Rochester y Yashchuk en UC Berkeley en 1999. Se midieron velocidades de grupo tan bajas como 8 m / s en un vapor de rubidio térmico cálido . [14]
La luz detenida , en el contexto de un medio EIT, se refiere a la transferencia coherente de fotones al sistema cuántico y viceversa. En principio, esto implica apagar el haz de acoplamiento de forma adiabática mientras el pulso de la sonda todavía está dentro del medio EIT. Existe evidencia experimental de pulsos atrapados en medio EIT. En [15] los autores crearon un pulso de luz estacionario dentro de los medios coherentes atómicos. En 2009, investigadores de la Universidad de Harvard y el MIT demostraron un interruptor óptico de pocos fotones para óptica cuántica basado en ideas de luz lenta. [16] Lene Hau y un equipo de la Universidad de Harvard fueron los primeros en demostrar la luz detenida. [17]
Refrigeración EIT
EIT se ha utilizado para enfriar con láser largas cadenas de átomos a su estado fundamental de movimiento en una trampa de iones . [18] Para ilustrar la técnica de enfriamiento, considere un átomo de tres niveles como se muestra con un estado fundamental, un estado emocionado , y un estado estable o metaestable que se encuentra entre ellos. El estado emocionado es dipolo acoplado a y . Un intenso láser de "acoplamiento" impulsa el transición en la desafinación por encima de la resonancia. Debido a la interferencia cuántica de las amplitudes de transición, un láser de "enfriamiento" más débil transición en la desafinación por encima de la resonancia ve una característica similar a Fano en el perfil de absorción. El enfriamiento EIT se realiza cuando, de modo que la transición del portador se encuentra en la resonancia oscura de la característica similar a Fano , dondese utiliza para etiquetar el estado de movimiento cuantificado del átomo. La frecuencia Rabi del láser de acoplamiento se elige de modo que el La banda lateral "roja" se encuentra en el máximo estrecho de la característica similar a Fano . Por el contrario, elLa banda lateral "azul" se encuentra en una región de baja probabilidad de excitación, como se muestra en la figura siguiente. Debido a la gran proporción de probabilidades de excitación, el límite de enfriamiento se reduce en comparación con el enfriamiento Doppler o de banda lateral (asumiendo la misma velocidad de enfriamiento). [19]
Ver también
- Coherencia atómica
- Rejilla inducida electromagnéticamente
Referencias
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Trabajo principal
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Revisar
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- Zachary Dutton , Naomi S. Ginsberg , Christopher Slowe y Lene Vestergaard Hau (2004) El arte de domar la luz: luz ultralenta y detenida . Europhysics News Vol. 35 No. 2
- M. Fleischhauer, A. İmamoğlu y JP Marangos (2005), " Transparencia inducida electromagnéticamente: Óptica en medios coherentes ", Reviews Modern Physics, 77 , 633