Una red óptica está formada por la interferencia de rayos láser que se propagan en contra , creando un patrón de polarización espacialmente periódico. El potencial periódico resultante puede atrapar átomos neutros a través del cambio Stark . [1] Los átomos se enfrían y se congregan en los extremos potenciales (en los máximos para las celosías desafinadas en azul y en los mínimos para las celosías desafinadas en rojo). La disposición resultante de átomos atrapados se asemeja a una red cristalina [2] y puede usarse para simulación cuántica .
Los átomos atrapados en la red óptica pueden moverse debido al efecto túnel cuántico , incluso si la profundidad del pozo potencial de los puntos de la red supera la energía cinética de los átomos, que es similar a los electrones en un conductor . [3] Sin embargo, puede ocurrir una transición del aislante superfluido - Mott [4] , si la energía de interacción entre los átomos se vuelve mayor que la energía de salto cuando la profundidad del pozo es muy grande. En la fase del aislante de Mott, los átomos quedarán atrapados en el potencial mínimo y no pueden moverse libremente, lo que es similar a los electrones en un aislante . En el caso de los átomos fermiónicos, si la profundidad del pozo aumenta aún más, se prevé que los átomos formen un estado antiferromagnético , es decir, Néel a temperaturas suficientemente bajas. [5]
Parámetros
Hay dos parámetros importantes de una red óptica: la profundidad del pozo potencial y la periodicidad .
Control de la profundidad potencial
El potencial experimentado por los átomos está relacionado con la intensidad del láser utilizado para generar la red óptica. La profundidad potencial de la red óptica se puede ajustar en tiempo real cambiando la potencia del láser, que normalmente está controlado por un AOM ( modulador acústico-óptico ). El AOM está sintonizado para desviar una cantidad variable de la potencia del láser hacia la red óptica. La estabilización de la potencia activa del láser de celosía se puede lograr mediante la retroalimentación de una señal de fotodiodo al AOM.
Control de periodicidad
La periodicidad de la red óptica se puede ajustar cambiando la longitud de onda del láser o cambiando el ángulo relativo entre los dos rayos láser. El control en tiempo real de la periodicidad de la celosía sigue siendo una tarea desafiante. La longitud de onda del láser no se puede variar fácilmente en un amplio rango en tiempo real, por lo que la periodicidad de la red está normalmente controlada por el ángulo relativo entre los rayos láser. [6] Sin embargo, es difícil mantener estable la celosía mientras se cambian los ángulos relativos, ya que la interferencia es sensible a la fase relativa entre los rayos láser. Los láseres de titanio-zafiro , con su amplio rango sintonizable, proporcionan una posible plataforma para la sintonización directa de la longitud de onda en los sistemas de celosía óptica.
El control continuo de la periodicidad de una red óptica unidimensional mientras se mantienen los átomos atrapados in situ se demostró por primera vez en 2005 utilizando un galvanómetro servocontrolado de un solo eje. [7] Esta "red de acordeón" fue capaz de variar la periodicidad de la red de 1,30 a 9,3 μm. Más recientemente, se demostró un método diferente de control en tiempo real de la periodicidad de la red, [8] en el que la franja central se movía menos de 2,7 μm mientras que la periodicidad de la red se cambiaba de 0,96 a 11,2 μm. Mantener los átomos (u otras partículas) atrapados mientras se cambia la periodicidad de la red queda por probar más a fondo experimentalmente. Estas redes de acordeón son útiles para controlar los átomos ultrafríos en las redes ópticas, donde el espaciado pequeño es esencial para la tunelización cuántica, y el espaciado grande permite la manipulación en un solo sitio y la detección resuelta espacialmente. La detección resuelta en el sitio de la ocupación de sitios de celosía de bosones y fermiones dentro de un régimen de túneles altos se realiza regularmente en microscopios de gas cuántico. [9] [10]
Principio de funcionamiento [1]
Una red óptica básica está formada por el patrón de interferencia de dos rayos láser que se propagan en sentido contrario. El mecanismo de captura es a través del cambio Stark, donde la luz sin resonancia causa cambios en la estructura interna de un átomo. El efecto del cambio de Stark es crear un potencial proporcional a la intensidad. Este es el mismo mecanismo de captura que en las trampas de dipolo óptico (ODT), con la única diferencia importante de que la intensidad de una red óptica tiene una variación espacial mucho más dramática que una ODT estándar.
El cambio de energía a (y por lo tanto, el potencial experimentado por) un estado fundamental electrónico viene dada por la teoría de perturbaciones independientes del tiempo de segundo orden , donde se ha promediado en el tiempo la rápida variación en el tiempo del potencial de la red a frecuencias ópticas.
Una imagen alternativa de las fuerzas de luz estimuladas debido al efecto AC Stark es ver el proceso como un proceso Raman estimulado, donde el átomo redistribuye fotones entre los rayos láser contrapropagantes que forman la red. En esta imagen, está más claro que los átomos solo pueden adquirir impulso de la red en unidades de, dónde es el impulso de un fotón de un rayo láser.
Desafíos técnicos [1]
El potencial de atrapamiento experimentado por los átomos en una trampa de dipolo óptico es débil, generalmente por debajo de 1 mK. Por lo tanto, los átomos deben enfriarse significativamente antes de cargarlos en la red óptica. Las técnicas de enfriamiento utilizadas para este fin incluyen trampas magneto-ópticas , enfriamiento Doppler , enfriamiento por gradiente de polarización , enfriamiento Raman , enfriamiento de banda lateral resuelta y enfriamiento por evaporación .
Una vez que los átomos fríos se cargan en la red óptica, experimentarán calentamiento por varios mecanismos, como la dispersión espontánea de fotones de los láseres de la red óptica. Estos mecanismos generalmente limitan la vida útil de los experimentos de celosía óptica.
Estudiar átomos en celosías ópticas
Una vez enfriados y atrapados en una red óptica, pueden manipularse o dejarse evolucionar. Las manipulaciones comunes implican la "sacudida" de la red óptica variando la fase relativa entre los haces contrapropagantes o la modulación de amplitud de la red. Después de evolucionar en respuesta al potencial de la red y cualquier manipulación, los átomos se pueden obtener a través de imágenes de absorción.
Una técnica de observación común es la obtención de imágenes de tiempo de vuelo (TOF). La formación de imágenes TOF funciona primero esperando una cierta cantidad de tiempo para que los átomos evolucionen en el potencial de la red, luego apagando el potencial de la red (apagando la potencia del láser con un AOM). Los átomos, ahora libres, se dispersan a diferentes velocidades según sus momentos. Al controlar la cantidad de tiempo que se permite que los átomos evolucionen, la distancia recorrida por los átomos se asigna a cuál debe haber sido su estado de impulso cuando se apagó la red. Debido a que los átomos en la red solo pueden cambiar en cantidad de movimiento por, un patrón característico en una imagen TOF de un sistema de celosía óptica es una serie de picos a lo largo del eje de celosía en momentos , dónde . Usando imágenes TOF, se puede determinar la distribución de momento de los átomos en la red. Combinado con imágenes de absorción in situ (tomadas con la red aún encendida), esto es suficiente para determinar la densidad del espacio de fase de los átomos atrapados, una métrica importante para diagnosticar la condensación de Bose-Einstein (o más generalmente, la formación de fases degeneradas cuánticas de importancia).
Usos
En simulación cuántica
Los átomos en una red óptica proporcionan un sistema cuántico ideal donde se pueden controlar todos los parámetros. Debido a que se pueden obtener imágenes de los átomos directamente, algo difícil de hacer con electrones en sólidos, se pueden usar para estudiar efectos que son difíciles de observar en cristales reales. Las técnicas de microscopía cuántica de gases aplicadas a los sistemas de retícula óptica de átomos atrapados pueden incluso proporcionar una resolución de imágenes de un solo sitio de su evolución. [11]
Interfiriendo diferentes números de vigas en varias geometrías, se pueden crear diferentes geometrías de celosía. Estos van desde el caso más simple de dos vigas contrapropagantes que forman una celosía unidimensional, hasta geometrías más complejas como celosías hexagonales. La variedad de geometrías que se pueden producir en los sistemas de celosía óptica permite la realización física de diferentes hamiltonianos, como el modelo de Bose-Hubbard , [4] la celosía de Kagome y el modelo de Aubry-André. Al estudiar la evolución de los átomos bajo la influencia de estos hamiltonianos, se puede obtener información sobre las soluciones al hamiltoniano. Esto es particularmente relevante para los hamiltonianos complicados que no son fácilmente solubles usando técnicas teóricas o numéricas, como las de los sistemas fuertemente correlacionados.
Relojes ópticos
Los mejores relojes atómicos del mundo utilizan átomos atrapados en redes ópticas para obtener líneas espectrales estrechas que no se ven afectadas por el efecto Doppler y el retroceso . [12] [13]
Información cuántica
También son candidatos prometedores para el procesamiento de información cuántica . [14] [15]
Interferometría atómica
Las celosías ópticas agitadas, donde se modula la fase de la celosía, lo que hace que el patrón de la celosía se explore hacia adelante y hacia atrás, se pueden usar para controlar el estado de impulso de los átomos atrapados en la celosía. Este control se ejerce para dividir los átomos en poblaciones de diferentes momentos, propagarlos para acumular diferencias de fase entre las poblaciones y recombinarlos para producir un patrón de interferencia.
Otros usos
Además de atrapar átomos fríos, las redes ópticas se han utilizado ampliamente para crear rejillas y cristales fotónicos . También son útiles para clasificar partículas microscópicas, [16] y pueden ser útiles para ensamblar matrices de células .
Ver también
- Modelo Bose-Hubbard
- Átomo ultrafrío
- Lista de artículos láser
- Rejilla inducida electromagnéticamente
Referencias
- ^ a b c Grimm, Rudolf; Weidemüller, Matthias; Ovchinnikov, Yurii B. (2000), "Trampas dipolo ópticas para átomos neutros" , Avances en física atómica, molecular y óptica , Elsevier, págs. 95-170, ISBN 978-0-12-003842-8, consultado el 17 de diciembre de 2020
- ^ Bloch, Immanuel (octubre de 2005). "Gases cuánticos ultrafríos en redes ópticas". Física de la naturaleza . 1 (1): 23–30. Código Bibliográfico : 2005NatPh ... 1 ... 23B . doi : 10.1038 / nphys138 .
- ^ Gebhard, Florian (1997). Los modelos y métodos de transición metal-aislante de Mott . Berlín [etc.]: Springer. ISBN 978-3-540-61481-4.
- ^ a b Greiner, Markus; Mandel, Olaf; Esslinger, Tilman; Hänsch, Theodor W .; Bloch, Immanuel (3 de enero de 2002). "Transición de fase cuántica de un superfluido a un aislante Mott en un gas de átomos ultrafríos". Naturaleza . 415 (6867): 39–44. Código Bib : 2002Natur.415 ... 39G . doi : 10.1038 / 415039a . PMID 11780110 .
- ^ Koetsier, Arnaud; Duine, RA; Bloch, Emmanuel; Stoof, HTC (2008). "Lograr el estado Néel en una celosía óptica". Phys. Rev. A . 77 (2): 023623. arXiv : 0711.3425 . Código Bibliográfico : 2008PhRvA..77b3623K . doi : 10.1103 / PhysRevA.77.023623 .
- ^ Fallani, Leonardo; Fuerte, Chiara; Lye, Jessica; Inguscio, Massimo (mayo de 2005). "Condensado de Bose-Einstein en una red óptica con espaciado ajustable: transporte y propiedades estáticas". Optics Express . 13 (11): 4303–4313. arXiv : cond-mat / 0505029 . Código Bibliográfico : 2005OExpr..13.4303F . doi : 10.1364 / OPEX.13.004303 . PMID 19495345 .
- ^ Huckans, JH (diciembre de 2006). "Celosías ópticas y Quantum Degenerate Rb-87 en dimensiones reducidas". Tesis de Doctorado de la Universidad de Maryland .
- ^ Li, TC; Kelkar, H .; Medellín, D .; Raizen, MG (3 de abril de 2008). "Control en tiempo real de la periodicidad de una onda estacionaria: un acordeón óptico". Optics Express . 16 (8): 5465–5470. arXiv : 0803.2733 . Código Bib : 2008OExpr..16.5465L . doi : 10.1364 / OE.16.005465 . PMID 18542649 .
- ^ Bakr, Waseem S .; Gillen, Jonathon I .; Peng, Amy; Fölling, Simon; Greiner, Markus (5 de noviembre de 2009). "Un microscopio de gas cuántico para detectar átomos individuales en una red óptica de régimen de Hubbard". Naturaleza . 462 (7269): 74–77. arXiv : 0908.0174 . Código Bibliográfico : 2009Natur.462 ... 74B . doi : 10.1038 / nature08482 . ISSN 0028-0836 . PMID 19890326 .
- ^ Haller, Elmar; Hudson, James; Kelly, Andrew; Cotta, Dylan A .; Peaudecerf, Bruno; Bruce, Graham D .; Kuhr, Stefan (1 de septiembre de 2015). "Imágenes de un solo átomo de fermiones en un microscopio de gas cuántico". Física de la naturaleza . 11 (9): 738–742. arXiv : 1503.02005 . Código bibliográfico : 2015NatPh..11..738H . doi : 10.1038 / nphys3403 . hdl : 10023/8011 . ISSN 1745-2473 .
- ^ Bakr, Waseem S .; Gillen, Jonathon I .; Peng, Amy; Fölling, Simon; Greiner, Markus (noviembre de 2009). "Un microscopio de gas cuántico para detectar átomos individuales en una red óptica de régimen de Hubbard" . Naturaleza . 462 (7269): 74–77. arXiv : 0908.0174 . doi : 10.1038 / nature08482 . ISSN 1476-4687 .
- ^ Derevianko, Andrei; Katori, Hidetoshi (3 de mayo de 2011). "Coloquio: Física de los relojes de celosía óptica". Reseñas de Física Moderna . 83 (2): 331–347. arXiv : 1011.4622 . Código Bibliográfico : 2011RvMP ... 83..331D . doi : 10.1103 / RevModPhys.83.331 .
- ^ "Vosotros laboratorio" . Vosotros laboratorio .
- ^ Brennen, Gavin K .; Cuevas, Carlton; Jessen, Poul S .; Deutsch, Ivan H. (1999). "Puertas lógicas cuánticas en celosías ópticas". Phys. Rev. Lett . 82 (5): 1060–1063. arXiv : quant-ph / 9806021 . Código Bibliográfico : 1999PhRvL..82.1060B . doi : 10.1103 / PhysRevLett.82.1060 .
- ^ Yang, Bing; Sun, Hui; Hunag, Chun-Jiong; Wang, Han-Yi; Deng, Youjin; Dai, Han-Ning; Yuan, Zhen-Sheng; Pan, Jian-Wei (2020). "Enfriamiento y entrelazamiento de átomos ultrafríos en redes ópticas". Ciencia . 369 (6503): 550–553. arXiv : 1901.01146 . Código bibliográfico : 2020Sci ... 369..550Y . doi : 10.1126 / science.aaz6801 .
- ^ MacDonald, diputado; Spalding, GC; Dholakia, K. (27 de noviembre de 2003). "Clasificación de microfluidos en una celosía óptica". Naturaleza . 426 (6965): 421–424. Código Bibliográfico : 2003Natur.426..421M . doi : 10.1038 / nature02144 . PMID 14647376 .
enlaces externos
- Más sobre celosías ópticas
- Introducción a las celosías ópticas
- Celosía óptica en arxiv.org