El enfriamiento de banda lateral resuelto es una técnica de enfriamiento por láser que permite enfriar átomos e iones fuertemente unidos más allá del límite de enfriamiento Doppler , potencialmente a su estado fundamental de movimiento . Aparte de la curiosidad de tener una partícula en energía de punto cero, tal preparación de una partícula en un estado definido con alta probabilidad (inicialización) es una parte esencial de los experimentos de manipulación de estados en óptica cuántica y computación cuántica .
Notas históricas
En el momento de redactar este artículo, el esquema detrás de lo que hoy llamamos enfriamiento de banda lateral resuelto se atribuye, [1] [2] a DJ Wineland y H. Dehmelt , en su artículo '' Proposedespectroscopia de fluorescencia láser en Tl+
oscilador mono-ion III (enfriamiento de banda lateral). '' [3] La aclaración es importante ya que en el momento de este último artículo, el término también designaba lo que hoy llamamos enfriamiento Doppler , [2] que se realizó experimentalmente con nubes de iones atómicos en 1978 por W. Neuhauser [4] e independientemente por DJ Wineland. [5] Un experimento que demuestra inequívocamente el enfriamiento de banda lateral resuelto en su significado contemporáneo es el de Diedrich et al. [6] De manera similar, la realización inequívoca con átomos neutrales no Rydberg fue demostrada en 1998 por SE Hamann et al. [7] mediante refrigeración Raman .
Descripción conceptual
El enfriamiento de banda lateral resuelto es una técnica de enfriamiento por láser que se puede utilizar para enfriar átomos fuertemente atrapados hasta el estado fundamental cuántico de su movimiento. Los átomos generalmente se enfrían previamente utilizando el enfriamiento con láser Doppler . Posteriormente, el enfriamiento de banda lateral resuelto se utiliza para enfriar los átomos más allá del límite de enfriamiento Doppler .
Un átomo atrapado en frío puede tratarse con una buena aproximación como un oscilador armónico mecánico cuántico . Si la tasa de desintegración espontánea es mucho menor que la frecuencia vibratoria del átomo en la trampa, los niveles de energía del sistema pueden resolverse como si constan de niveles internos, cada uno de los cuales corresponde a una escalera de estados vibratorios.
Suponga un átomo de dos niveles cuyo estado fundamental se muestra por gy el estado excitado por e . Se produce un enfriamiento láser eficiente cuando la frecuencia del rayo láser se sintoniza con la banda lateral roja, es decir,
,
dónde es la frecuencia de transición atómica interna y es la frecuencia de oscilación armónica del átomo. En este caso, el átomo sufre la transición
,
dónde representa el estado de un ion cuyo estado atómico interno es a y el estado de movimiento es m . Este proceso está etiquetado como '1' en la imagen adyacente.
La subsiguiente emisión espontánea ocurre predominantemente en la frecuencia portadora si la energía de retroceso del átomo es despreciable en comparación con la energía cuántica vibratoria, es decir.
Este proceso está etiquetado como '2' en la imagen adyacente. El efecto promedio de este mecanismo es enfriar el ion en un nivel de energía vibratoria. Cuando estos pasos se repiten una cantidad suficiente de vecesse alcanza con una alta probabilidad. [8]
Bases teóricas
El proceso central que proporciona el enfriamiento asume un sistema de dos niveles que está bien localizado en comparación con la longitud de onda () de la transición (régimen de Lamb-Dicke), como un ión o átomo atrapado y suficientemente enfriado. Después, [2] modelar el sistema como un oscilador armónico que interactúa con un campo electromagnético monocromático clásico produce (en la aproximación de onda giratoria) el hamiltoniano
con
y donde
es el operador numérico
es el espaciado de frecuencia del oscilador
es la frecuencia Rabi debido a la interacción átomo-luz
es el láser desafinando de
es el vector de onda láser
Es decir, dicho sea de paso, el hamiltoniano de Jaynes-Cummings utilizado para describir el fenómeno de un átomo acoplado a una cavidad en cavidad QED. [9] La absorción (emisión) de fotones por el átomo es gobernada por los elementos fuera de la diagonal, con probabilidad de una transición entre estados vibracionales. proporcional a , y para cada hay un múltiple, , acoplado a sus vecinos con fuerza proporcional a . En la imagen se muestran tres de estos colectores.
Si el ancho de línea de transición satisface , un láser suficientemente estrecho se puede sintonizar con una banda lateral roja, . Para un átomo que comienza en, la transición predominantemente probable será . Este proceso está representado por la flecha "1" en la imagen. En el régimen de Lamb-Dicke, el fotón emitido espontáneamente (representado por la flecha "2") tendrá, en promedio, una frecuencia, [6] y el efecto neto de dicho ciclo, en promedio, será la eliminación decuantos de movimiento. Después de algunos ciclos, el número de fonones promedio es, dónde es la relación de las intensidades del rojo al azul −th bandas laterales. [10] Repetir los procesos muchas veces mientras se asegura que se produzca una emisión espontánea proporciona enfriamiento a. [2] [9] Un tratamiento matemático más riguroso se da en Turchette et al. [10] y Wineland et al. [9] El tratamiento específico del enfriamiento de iones múltiples se puede encontrar en Morigi et al. [11] En Eschner et al., [2] se ofrece un enfoque perspicaz de los detalles del enfriamiento, que se siguió de forma selectiva anteriormente.
Implementaciones experimentales
Para que el enfriamiento de banda lateral resuelto sea efectivo, el proceso debe comenzar en un nivel suficientemente bajo. . Para ello, la partícula se suele enfriar primero hasta el límite Doppler, luego se aplican algunos ciclos de enfriamiento de banda lateral y, finalmente, se toma una medida o se realiza la manipulación del estado. Una aplicación más o menos directa de este esquema fue demostrada por Diedrich et al. [6] con la salvedad de que la transición de cuadrupolo estrecha utilizada para el enfriamiento conecta el estado fundamental con un estado de larga duración, y este último tuvo que bombearse para lograr una eficiencia de enfriamiento óptima. Sin embargo, no es raro que se necesiten pasos adicionales en el proceso, debido a la estructura atómica de las especies enfriadas. Ejemplos de eso son el enfriamiento de Ca+
iones y el enfriamiento de banda lateral Raman de átomos de Cs .
Ejemplo: enfriamiento de Ca+
iones
Los niveles de energía relevantes para el esquema de enfriamiento para Ca+
Los iones son S 1/2 , P 1/2 , P 3/2 , D 3/2 y D 5/2 , que además se dividen mediante un campo magnético estático en sus colectores Zeeman. El enfriamiento Doppler se aplica en la transición del dipolo S 1/2 - P 1/2 (397 nm), sin embargo, hay aproximadamente un 6% de probabilidad de desintegración espontánea al estado D 3/2 de larga duración , de modo que ese estado se bombea simultáneamente (a 866 nm) para mejorar el enfriamiento Doppler. El enfriamiento de banda lateral se realiza en la transición cuadrupolo estrecha S 1/2 - D 5/2 (729 nm), sin embargo, el estado D 5/2 de larga duración debe bombearse al estado P 3/2 de corta duración (en 854 nm) para reciclar el ion al estado S 1/2 de tierra y mantener el rendimiento de enfriamiento. Una posible implementación fue realizada por Leibfried et al. [12] y Roos detalla uno similar. [13] Para cada punto de datos en el espectro de absorción de 729 nm, se ejecutan algunos cientos de iteraciones de lo siguiente:
- el ion se enfría con Doppler con 397 nm y 866 nm de luz, con 854 nm de luz encendida también
- el ion se polariza por espín al estado S 1/2 (m = -1 / 2) aplicando un 397 nm de luz para los últimos momentos del proceso de enfriamiento Doppler
- Los bucles de enfriamiento de banda lateral se aplican en la primera banda lateral roja de la transición D 5/2 (m = -5 / 2) 729 nm
- para asegurar que la población termine en el estado S 1/2 (m = -1 / 2), otro Se aplica un pulso de 397 nm
- se lleva a cabo la manipulación y el análisis aplicando luz de 729 nm a la frecuencia de interés
- la detección se lleva a cabo con 397 nm y 866 nm de luz: la discriminación entre el estado oscuro (D) y el brillante (S) se basa en un valor umbral predeterminado de recuentos de fluorescencia
Varios grupos de captura de iones están investigando / utilizando variaciones de este esquema que relajan los requisitos o mejoran los resultados.
Ejemplo: enfriamiento de banda lateral Raman de átomos de Cs
Una transición Raman reemplaza la transición de un fotón utilizada en la banda lateral anterior por un proceso de dos fotones a través de un nivel virtual. En el experimento de enfriamiento de Cs llevado a cabo por Hamann et al., [7] el atrapamiento es proporcionado por una red óptica isotrópica en un campo magnético, que también proporciona un acoplamiento Raman a la banda lateral roja de los colectores Zeeman. El proceso seguido en [7] es:
- preparación de muestra fría de Los átomos de Cs se llevan a cabo en melaza óptica , en una trampa magnetoóptica
- Los átomos pueden ocupar una red bidimensional cercana a la resonancia.
- la celosía se cambia adiabáticamente a una celosía de resonancia lejana, que deja la muestra lo suficientemente bien enfriada para que el enfriamiento de la banda lateral sea efectivo ( régimen de Lamb-Dicke )
- se enciende un campo magnético para sintonizar el acoplamiento Raman con la banda lateral de movimiento roja
- la relajación entre los estados hiperfinos es proporcionada por un par de láser de bomba / repump
- Después de algún tiempo, el bombeo se intensifica para transferir a la población a un estado hiperfino específico.
- la celosía se apaga y se emplean técnicas de tiempo de vuelo para realizar el análisis de Stern-Gerlach
Ver también
- Refrigeración por láser
- Amplitud modulada
Referencias
- ^ Monroe, C .; Meekhof, DM; Rey, BE; Jefferts, SR; Itano, WM; Wineland, DJ; Gould, P. (27 de noviembre de 1995). "Enfriamiento Raman de banda lateral resuelta de un átomo enlazado a la energía de punto cero 3D". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 75 (22): 4011–4014. doi : 10.1103 / physrevlett.75.4011 . ISSN 0031-9007 . PMID 10059792 .
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