Электромагнитно индуцированная прозрачность - Electromagnetically induced transparency

Влияние ЭИТ на типичную линию поглощения. Слабый зонд обычно испытывает поглощение, показанное синим цветом. Второй пучок связи индуцирует EIT и создает «окно» в области поглощения (красный). Этот график представляет собой компьютерное моделирование EIT в квантовой точке InAs / GaAs.

Электромагнитно индуцированная прозрачность (EIT) это последовательный оптический нелинейность что делает среду прозрачный в узком спектральный диапазон вокруг линия поглощения. Экстремальный разброс также создается в этом "окне" прозрачности, которое ведет к "медленный свет ", описанный ниже. По сути, это квантовый интерференционный эффект, который позволяет свету распространяться через непрозрачную атомную среду.^[1]

Наблюдение за EIT включает два оптических поля (высококогерентные источники света, такие как лазеры ), которые настроены на взаимодействие с тремя квантовые состояния материала. «Пробное» поле настраивается около резонанса между двумя состояниями и измеряет спектр поглощения перехода. Вблизи резонанса на другом переходе настраивается гораздо более сильное поле «связи». Если состояния выбраны правильно, наличие поля связи создаст спектральное «окно» прозрачности, которое будет обнаружено зондом. Связующий лазер иногда называют «управляющим» или «накачивающим», последнее по аналогии с некогерентными оптическими нелинейностями, такими как горение спектральной дыры или насыщенность.

EIT основан на деструктивной интерференции перехода амплитуда вероятности между атомными состояниями. Тесно связаны с EIT когерентный отлов населения (CPT) явления.

Квантовая интерференция в EIT может быть использована для лазер крутой атомные частицы, вплоть до квантово-механического основного состояния движения.^[2] Это было использовано в 2015 году для прямого изображения отдельных атомов, захваченных в оптическая решетка.^[3]

Средние требования

Схемы уровней EIT можно разделить на три категории; vee, лестница и лямбда.

Существуют определенные ограничения на конфигурацию трех состояний. Два из трех возможных переходов между состояниями должны быть «дипольно разрешенными», т.е. переходы могут быть вызваны колеблющимся электрическим полем. Третий переход должен быть «дипольным запретом». Одно из трех состояний связано с двумя другими двумя оптическими полями. Три типа схем EIT различаются разницей в энергии между этим состоянием и двумя другими. Это лестничная, V-образная и лямбда-схемы. Любая реальная материальная система может содержать множество триплетов состояний, которые теоретически могут поддерживать EIT, но есть несколько практических ограничений на то, какие уровни могут быть фактически использованы.

Также важны скорости дефазировки отдельных состояний. В любой реальной системе при ненулевой температуре происходят процессы, вызывающие скремблирование фазы квантовых состояний. В газовой фазе это обычно означает столкновения. В твердых телах дефазировка происходит из-за взаимодействия электронных состояний с решеткой основы. Расфазировка состояния ${\displaystyle |3\rangle }$ особенно важно; в идеале ${\displaystyle |3\rangle }$ должно быть устойчивым, метастабильным состоянием.

В настоящее время^{[когда? ]} В исследованиях EIT используются атомные системы в разбавленных газах, твердых растворах или в более экзотических состояниях, таких как Конденсат Бозе – Эйнштейна. EIT был продемонстрирован в электромеханических^[4] и оптомеханические^[5] системы, где он известен как оптомеханически индуцированная прозрачность. Также ведутся работы в области полупроводниковых наноструктур, таких как квантовые ямы ^[6], квантовые провода и квантовые точки. ^[7][8]

Теория

EIT был впервые предложен теоретически профессором Якобом Ханиным и аспирантом. Ольга Кочаровская в Горьковский государственный университет (переименован в Нижний Новгород в 1990 г.), Россия;^[9] в настоящее время существует несколько различных подходов к теоретическому рассмотрению EIT. Один из подходов - продлить матрица плотности лечение, используемое для получения Колебание Раби системы с двумя состояниями и одним полем. На этой картинке амплитуда вероятности для передачи системы между состояниями может деструктивно вмешиваться, предотвращая абсорбцию. В этом контексте «вмешательство» означает вмешательство между квантовые события (переходы), а не какие-либо оптические помехи. В качестве конкретного примера рассмотрим схему лямбда, показанную выше. Поглощение зонда определяется переходом от ${\displaystyle |1\rangle }$ к ${\displaystyle |2\rangle }$. Поля могут вытеснять население ${\displaystyle |1\rangle }$-${\displaystyle |2\rangle }$ прямо или из ${\displaystyle |1\rangle }$-${\displaystyle |2\rangle }$-${\displaystyle |3\rangle }$-${\displaystyle |2\rangle }$. Амплитуды вероятности для разных путей разрушительно мешают. Если ${\displaystyle |3\rangle }$ имеет сравнительно долгий срок службы, в результате получается прозрачное окно полностью внутри ${\displaystyle |1\rangle }$-${\displaystyle |2\rangle }$ линия поглощения.

Другой подход - "одетое состояние "картина, на которой система + поле связи Гамильтониан диагонализуется, и влияние на зонд рассчитывается в новом базисе. На этой картинке EIT напоминает комбинацию Расщепление Аутлера-Таунса и Вмешательство Фано между одетыми состояниями. Между пиками дублета, в центре окна прозрачности, квантовые амплитуды вероятности для зонда, чтобы вызвать переход в любое состояние, отменяются.

А поляритон Картинка особенно важна при описании схем остановленного света. Здесь фотоны зонда когерентно «превращаются» в «поляритоны темного состояния», которые возбуждения среды. Эти возбуждения существуют (или могут «храниться») в течение периода времени, зависящего только от скорости дефазировки.

Медленный свет и остановившийся свет

Быстрое изменение показателя преломления (синий) в области быстро изменяющегося поглощения (серый), связанное с EIT. Крутой и положительный линейная область показателя преломления в центре окна прозрачности дает медленный свет

Важно понимать, что EIT - это лишь один из множества разнообразных механизмов, которые могут производить медленный свет. В Отношения Крамерса – Кронига диктуют, что изменение поглощения (или усиления) в узком спектральном диапазоне должно сопровождаться изменением показателя преломления в такой же узкой области. Этот быстрый и положительный изменение показателя преломления приводит к чрезвычайно низкому групповая скорость.^[10] Первое экспериментальное наблюдение низкой групповой скорости, произведенное EIT, было сделано Боллером, Имамоглу, и Харрис из Стэнфордского университета в 1991 г. стронций. В 1999 году Лене Хау сообщили о замедлении света в ультрахолодной среде. натрий атомы^[11] это достигается за счет использования квантовых интерференционных эффектов, ответственных за электромагнитно индуцированную прозрачность (EIT).^[12] Ее группа провела обширное исследование EIT с Стивен Э. Харрис. «Используя подробное численное моделирование и аналитическую теорию, мы изучаем свойства микрополостей, которые включают материалы, демонстрирующие электромагнитно-индуцированную прозрачность (EIT) или сверхмедленный свет (USL). Мы обнаружили, что такие системы, будучи миниатюрными по размеру ( порядка длины волны) и интегрируемые, могут обладать некоторыми выдающимися свойствами. В частности, они могут иметь срок службы на порядки больше, чем другие существующие системы, и могут демонстрировать нелинейное полностью оптическое переключение на уровнях мощности одиночных фотонов. Возможные применения включают миниатюрные атомные часы и полностью оптическая квантовая обработка информации ».^[13] Текущий рекорд медленного света в среде EIT установлен Будкером, Кимбаллом, Рочестером и Ящуком в Калифорнийском университете. Беркли в 1999 году. Групповые скорости до 8 м / с были измерены в теплом тепловом потоке. рубидий пар.^[14]

Остановлен свет, в контексте среды EIT, относится к последовательный перенос фотонов в квантовую систему и обратно. В принципе, это предполагает переключение выключенный соединительная балка в адиабатический моды, пока пробный импульс все еще находится в среде EIT. Имеются экспериментальные данные о захваченных импульсах в среде EIT. В ^[15] авторы создали стационарный световой импульс внутри атомно-когерентных сред. В 2009 году исследователи из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института продемонстрировали несколько фотонный оптический переключатель для квантовой оптики, основанный на идеях медленного света.^[16] Лене Хау и команда из Гарвардского университета первыми продемонстрировали остановленный свет.^[17]

Смотрите также

• Атомная когерентность
• Электромагнитно-индуцированная решетка

Рекомендации

1. Лю, Цзянь; Даттон, Захари; Behroozi, Cyrus H .; Хау, Лене Вестергаард (2001). «Наблюдение за когерентным хранением оптической информации в атомной среде с помощью остановленных световых импульсов». Природа. 409 (6819): 490–493. Bibcode:2001Натура.409..490л. Дои:10.1038/35054017. PMID  11206540. S2CID  1894748.
2. Мориджи, Джованна (2000). «Основное состояние лазерного охлаждения с использованием электромагнитно-индуцированной прозрачности». Письма с физическими проверками. 85 (21): 4458–4461. arXiv:Quant-ph / 0005009. Bibcode:2000ПхРвЛ..85.4458М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.85.4458. PMID  11082570. S2CID  12580278.
3. Халлер, Эльмар; Хадсон, Джеймс; Келли, Эндрю; Котта, Дилан А .; Peaudecerf, Bruno; Брюс, Грэм Д .; Кухр, Стефан (2015). «Одноатомное изображение фермионов в квантово-газовом микроскопе». Природа Физика. 11 (9): 738–742. arXiv:1503.02005. Bibcode:2015НатФ..11..738Х. Дои:10.1038 / nphys3403. S2CID  51991496.
4. Teufel, J. D .; Ли, Дейл; Allman, M. S .; Cicak, K .; Sirois, A.J .; Whittaker, J.D .; Симмондс, Р. В. (2011). «Электромеханика контуров резонатора в режиме сильной связи». Природа. 471 (7337): 204–208. arXiv:1011.3067. Bibcode:2011Натура.471..204Т. Дои:10.1038 / природа09898. PMID  21390127. S2CID  4418446.
5. Safavi-Naeini, A.H .; Алегре, Т. П. Майер; Chan, J .; Eichenfield, M .; Вингер, М .; Lin, Q .; Hill, J. T .; Чанг, Д. Э .; Художник О. (2011). «Электромагнитно индуцированная прозрачность и медленный свет с оптомеханикой». Природа. 472 (7341): 69–73. arXiv:1012.1934. Bibcode:2011Натура 472 ... 69S. Дои:10.1038 / природа09933. PMID  21412237. S2CID  4428942.
6. Серапилья, Г. Б .; Paspalakis, E .; Сиртори, C .; Водопьянов К.Л .; Филлипс, К. С. (2000). «Лазерно-индуцированная квантовая когерентность в полупроводниковой квантовой яме». Письма с физическими проверками. 84 (5): 1019–1022. Дои:10.1103 / PhysRevLett.84.1019. ISSN  0031-9007. PMID  11017430.
7. Сюй, Сяодун; Солнце, Бо; Берман, Пол Р .; Steel, Duncan G .; Bracker, Allan S .; Гаммон, Дэн; Шам, Л. Дж. (2008). «Когерентный захват населенности спина электрона в одной отрицательно заряженной квантовой точке». Природа Физика. 4 (9): 692–695. Дои:10.1038 / nphys1054. ISSN  1745-2473. S2CID  8098743.
8. Бруннер, Дэниел; Джерардо, Брайан Д .; Dalgarno, Paul A .; Вюст, Гюнтер; Каррай, Халед; Штольц, Ник Дж .; Петров, Пьер М .; Уорбертон, Ричард Дж. (2009). «Когерентный спин с одной дыркой в ​​полупроводнике». Наука. 325 (5936): 70–72. Дои:10.1126 / science.1173684. ISSN  0036-8075. PMID  19574387. S2CID  31505564.
9. "Физики Техасского университета A&M изобрели способ остановить свет | SpaceRef - ваш космический справочник". SpaceRef. 2001-01-31. Получено 2013-01-28.
10. Ростовцев Юрий; Кочаровская, Ольга; Уэлч, Джордж Р .; Скалли, Марлан О. (2002). «Медленный, сверхмедленный, сохраненный и замороженный свет». Новости оптики и фотоники. 13 (6): 44. Дои:10.1364 / OPN.13.6.000044.
11. "Лене Хау". Physicscentral.com. Получено 2013-01-28.
12. «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2010-06-11. Получено 2013-01-28.
13. Солячич, Марин; Лидорикис, Элефтериос; Joannopoulos, John D .; Хау, Лене В. (2004). «Электромагнитная прозрачность в микрополостях». В Тейлоре, Эдвард В. (ред.). Фотоника для космической среды IX. Труды SPIE. 5554. п. 174. Дои:10.1117/12.562304. S2CID  137523967.
14. Будкер, Д .; Kimball, D. F .; Рочестер, С. М .; Ящук, В. В. (1999). «Нелинейная магнитооптика и пониженная групповая скорость света в атомном паре с медленной релаксацией основного состояния». Письма с физическими проверками. 83 (9): 1767–1770. Bibcode:1999ПхРвЛ..83.1767Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.83.1767.
15. Bajcsy, M .; Зибров, А. С .; Лукин, М. Д. (2003). «Стационарные импульсы света в атомной среде». Природа. 426 (6967): 638–641. arXiv:Quant-ph / 0311092. Bibcode:2003Натура.426..638Б. Дои:10.1038 / природа02176. PMID  14668857. S2CID  4320280.
16. Bajcsy, M .; Hofferberth, S .; Balic, V .; Peyronel, T .; Hafezi, M .; Зибров, А. С .; Vuletic, V .; Лукин, М. Д. (2009). «Эффективное полностью оптическое переключение с использованием медленного света внутри полого волокна». Письма с физическими проверками. 102 (20): 203902. arXiv:0901.0336. Bibcode:2009ПхРвЛ.102т3902Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.102.203902. PMID  19519028. S2CID  5504022.
17. Ginsberg, Naomi S .; Гарнер, Шон Р .; Хау, Лене Вестергаард (2007). «Когерентное управление оптической информацией с волновой динамикой материи». Природа. 445 (7128): 623–626. Дои:10.1038 / природа05493. PMID  17287804. S2CID  4324343.

Основная работа

• О. Кочаровская, Я. И. Ханин, Сов. Phys. ЖЭТФ, 63, p945 (1986)
• К.Дж. Боллер, А. Имамоглу, С. Э. Харрис, Письма с физическими проверками 66, p2593 (1991)
• Эберли, Дж. Х., М. Л. Понс и Х. Р. Хак, Phys. Rev. Lett. 72, 56 (1994)
• Д. Будкер, Д. Ф. Кимбалл, С. М. Рочестер, В. В. Ящук, Physical Review Letters, 83, p1767 (1999)
• Лене Вестергаард Хау, S.E. Харрис, Закари Даттон, Сайрус Х. Бехрузи, Nature v.397, p594 (1999)
• Д.Ф. Филлипс, А. Флейшхауэр, А. Мэр, Р.Л. Уолсворт, М.Д. Лукин, Physical Review Letters 86, стр.783 (2001)
• Наоми С. Гинзберг, Шон Р. Гарнер, Лене Вестергаард Хау, Природа 445, 623 (2007)

Рассмотрение

• Харрис, Стив (Июль 1997 г.). Электромагнитно-индуцированная прозрачность. Физика сегодня, 50 (7), стр. 36–42 (в формате PDF)
• Закари Даттон, Наоми С. Гинзберг, Кристофер Слоу, и Лене Вестергаард Хау (2004) Искусство приручения света: сверхмедленный и остановленный свет. Новости Europhysics Vol. 35 № 2
• М. Флейшгауэр, А. Имамоглу и Дж. П. Марангос (2005 г.) "Электромагнитно индуцированная прозрачность: оптика в когерентных средах ", Обзоры современной физики, 77, 633