Экспериментальное исследование квантовых интерференционных эффектов в газе возбуждённых атомов и в примесных кристаллах Гущин, Лев Анатольевич

Введение к работе

Актуальность проблемы

Наблюдения эффекта деполяризации резонансной флуоресценции в парах ртути в присутствии внешнего магнитного поля, проведенные Вудом и Эллетом [1] и объясненные Ханле [2] в 1924г., положили начало истории изучения атомных и ядерных интерференционных и когерентных явлений. Этот эффект, названный в честь Ханле, является прямым следствием зеема-новской когерентности, создаваемой на верхнем возбужденном уровне когерентно поляризованным светом, и может быть объяснен как результат квантовой интерференции амплитуд рассеяния. Такая квантовая интерференция проявляется в виде изменения поляризации рассеянного резонансного излучения при изменении расщепления зеемановских подуровней возбужденного состояния. Интерференционный эффект исчезает, когда зеема-новское расщепление превышает их ширину Г. Эффект Ханле дает очень надежный способ измерения времени жизни возбужденных уровней атомов и молекул. Более общим случаем эффекта Ханле для невырожденных уровней и ненулевых магнитных полей является эффект пересечения уровней. Фактически, эффект Ханле вместе с явлением пересечения уровней длительное время оставались единственными доступными методами бездопле-ровской спектроскопии [3].

На сегодняшний день получили развитие такие атомные когерентные и интерференционные явления, как: само индуцированная прозрачность [4]; спиновое [5], фотонное [6] и рамановское [7] эхо; квантовые [8] и Раманов-ские [9] биения; автоионизационные резонансы Фано [10] и т.д.; а также эффекты двойного радиочастотно/микроволново-оптического резонанса: рамановский гетеродинный метод [11], двойной ядерный резонанс фотонного эха [12], двойной резонанс с оптической накачкой [13], двойной когерентный оптический резонанс [14]. Эти эффекты нашли множество приложений в атомной и молекулярной спектроскопии.

В последнее десятилетие привлекают внимание новые интерференционные явления: когерентное пленение населенности (КПН) и электромагнитно индуцированная прозрачность (ЭИП). Эти эффекты были открыты экспериментально в конце 1970-х гг. [15] и теоретически объяснены независимо двумя группами исследователей в конце 80-х [16] - начале 90-х [17] годов. Интерес к ним обусловлен их необычными свойствами и потенциальными приложениями. Такие интерференционные явления возникают в многоуровневых атомных и молекулярных системах при взаимодействии с когерентными электромагнитными полями. Простейшая система, в которой они могут наблюдаться - трехуровневая атомная или молекулярная система (Рис. 1), взаимодействующая с двумя лазерными полями. При этом, переходы (как правило, оптические), управляемые лазерными полями дипольно

разрешены, в то время как третий переход (обьгано зеемановский или сверхтонкий) дипольно запрещен. Когда разность частот двух оптических полей совпадает с расщеплением нижних подуровней, возникает такое суперпозиционное состояние нижних подуровней, из которого атомы не возбуждаются на верхний уровень (несмотря на наличие резонансных полей). Такая интерференция может приводить к существенным изменениям оптического отклика системы. В частности, поглощение пробного поля, настроенного в резонанс с каким-либо переходом, может значительно уменьшаться, при этом оптически плотная среда становится прозрачной для пробного поля. Этот эффект получил название электромагнитно индуцированная прозрачность (ЭИП) [18] в силу того, что прозрачность для пробного поля индуцируется другим электромагнитным полем, которое еще называют контрольным или управляющим. Впервые деструктивная интерференция такого типа была открыта Фано [10], который обнаружил, что скорость ионизации атома демонстрирует резко выраженное подавление, когда ионизация может происходить одновременно путем прямого возбуждения в континуум и путем перехода в автоионизационное состояние, сопровождаемого быстрым безызлучательным переходом в континуум. Как было показано в [19], интерференция такого типа может возникать даже в отсутствие автоионизационного состояния, если какой-либо дополнительный лазер действует из связанного состояния в континуум. В этом случае он перемешивает связанное состояние с континуумом и создает аналог автоионизационного состояния.

|2>

|3>

|1> в)

Рис. 1. Схемы трёхуровневых атомных или молекулярных систем, в которых под действием двух электромагнитных полей наиболее просто реализуются интерференционные эффекты: а) Л-схема; б) F-схема; в) каскадная схема.

В средах, где возможна интерференция различных каналов возбуждения, наблюдается ряд новых явлений, среди которых когерентное пленение

населенности (Coherent Population Trapping) [20], когерентный перенос населенности (Coherent Population Transfer) [21].

Следует отметить разницу между когерентным пленением населенности (КПН) и электромагнитно индуцированной прозрачностью (ЭИП). КПН описывает локальный отклик атомов при взаимодействии с внешними полями, в то время как ЭИП описывает интегральный самосогласованный нелинейный эффект распространения бихроматического излучения через оптически плотную резонансную среду. Сущность ЭИП заключается в том, что в условиях двухфотонного резонанса двухкомпонентное поле может распространяться без поглощения в среде, в которой каждая из компонент по отдельности сильно поглощается. Узкий провал в мнимой части восприимчивости сопровождается очень резкой дисперсионной зависимостью реальной части восприимчивости [24]. Как было отмечено в [25], такая дисперсия может приводить к уменьшению групповой скорости пробного светового импульса, распространяющегося в среде в условиях ЭИП. Когда интенсивность пробного импульса много меньше интенсивности управляющего поля, существует возможность управления групповой скоростью светового импульса, распространяющегося через среду (возможность уменьшения ее до нескольких метров в секунду [21] или полной остановки [22]) и, как следствие, возможность записи светового импульса в долгожи-вущее суперпозиционное спиновое состояние атомов с последующим считыванием его (в идеале - без потерь) [23]. Это явление, предсказанное в теории, получило впоследствии многочисленные подтверждения в экспериментах с газами (как горячими, так и холодными - бозе-эйнштейновским конденсатом) и твердыми средами (полупроводники; кристаллы, допиро-ванные ионами редкоземельных металлов). Управление скоростью светового импульса посредством изменения интенсивности управляющего поля может быть использовано в таких устройствах, как оптические буферы и линии задержки. В работе [23] показано, что в условиях электромагнитно индуцированной прозрачности возникает связанное состояние электромагнитного поля и коллективных спиновых возбуждений - «темный поляри-тон». Его свойства, а именно, скорость распространения и соотношение фотонной и спиновой компонент, определяются классическим внешним управляющим полем. При адиабатическом выключении управляющего поля поляритон полностью переходит в спиновую компоненту и останавливается, что приводит к записи квантового состояния фотонов в спиновое состояние атомного ансамбля. Впоследствии пробный импульс может быть восстановлен при включении управляющего поля, при этом он будет иметь такое же квантовое состояние, как и исходный импульс. Последний эффект можно считать первым шагом к реализации хранения и обработки оптической квантовой информации и квантовых вычислений.

Ввиду того, что резонансы ЭИП и КПН имеют чрезвычайно малую ширину, эти эффекты могут быть использованы для прецизионных измерений,

спектроскопии, метрологии, создания атомных часов [26], магнитометрии [27] и т.д. Следует отметить, что методы, основанные на ЭИП и КПН, обладают существенными преимуществами по сравнению с другими лазерными методами. Электромагнитно индуцированная прозрачность обладает большим потенциалом для измерения магнитного поля. В отличие от измерения зеемановских сдвигов с помощью лазерно индуцированной флуоресценции, разрешение ЭИП-методов не ограничено шириной линии оптического перехода, следовательно, разрешение по магнитному полю может быть выше на несколько порядков.

Большинство экспериментальных работ по электромагнитно индуцированной прозрачности были проведены в газовых средах (см. [28] и цитируемую там литературу), в том числе в плазме [29] - в системах с разрешенными рабочими переходами и небольшим (доплеровским) их уширени-ем, в силу чего для наблюдения эффекта требуются интенсивности —мВт/см². Стремительно растущее количество приложений требует расширения класса веществ, пригодных для наблюдения ЭИП и КПН. Надежды на продвижение от стадии физических демонстраций к стадии реальных высоких технологий связаны с переходом от газовых сред к конденсированным. К настоящему времени ЭИП и КПН были реализованы в полупроводниках на переходах между дискретными уровнями на квантовых ямах [30], центре азот-вакансия в алмазе [30], а также на переходах между уровнями примесных ионов переходных [31] и редкоземельных [32] металлов, допированных в оптически прозрачные диэлектрические кристаллы. Диэлектрические кристаллы, активированные ионами редкоземельных металлов, традиционно используются в качестве активных сред для лазеров и сцинтилляторов для рентгеновских детекторов. В последнее время они рассматриваются в качестве перспективных материалов для реализации основных элементов квантовых вычислений (одно- и двухкубитовых операций) и хранения оптической (в том числе квантовой) информации. Предполагается, что оптическая (квантовая) информация будет храниться на ядерных состояниях ионов, время релаксации населенности на которых может составлять десятки минут [33], а время дефазировки сотни миллисекунд [34]. Столь долгие времена позволяют осуществлять до нескольких десятков тысяч операций над кубитами без потери когерентности при использовании управляющих импульсов микросекундной длительности. Хранение квантовой информации является столь же важной составляющей квантовых вычислений и информационного обмена, как и обычной, классической информационной технологии. В настоящее время было предложено несколько способов хранения информации, переносимой фотонами. Наиболее перспективный подход использует явление "медленного" и "остановленного" света в когерентно приготовленных средах, связанное с формированием ЭИП, которое открывает возможности хранения оптического импульса в среде в форме ЭИП-поляритона (связанное состояние фотона и спиновой

когерентности [35]) с последующим его считыванием. Базовым в этом подходе является использование сред с долговременной спиновой когерентностью для реализации эффективных режимов электромагнитно индуцированной прозрачности.

В настоящее время идёт активный поиск новых диэлектрических кристаллов, энергетическая структура которых позволяет реализовать основные элементы квантовых вычислений и квантовой памяти. Использование эффектов ЭИП и КПН с характерными для них узкими резонансами позволяет проводить исследование особенностей спектров поглощения и флуоресценции твердотельных сред с присущей им сложной структурой энергетических уровней, скрытых неоднородным уширением. Особенно это важно при высоком уровне концентрации примесных частиц, когда необходимо учитывать их взаимодействие друг с другом, что может существенно изменить спектральные характеристики кристалла и, как следствие процессы когерентного взаимодействия с излучением.

Цели настоящей диссертационной работы следующие:

1. Реализация режимов электромагнитно индуцированной прозрачности (ЭИП) и когерентного пленения населённости (КПН) в газе возбужденных атомов. Теоретическое и экспериментальное исследование возможности использования эффекта ЭИП для измерения величины и направления магнитного поля в плазме; оценка возможности применения ЭИП для измерения отношения полоидального и тороидального магнитных полей в установках для термоядерного синтеза.

2. Реализация режимов ЭИП и КПН в случае, когда управляющее поле является радиочастотным. Исследование перераспределения интенсивности между упругим и рамановским каналами рассеяния в спектре резонансной флуоресценции в оптическом диапазоне в условиях радиочастотного резонанса на зеемановских подуровнях возбужденных атомов.

3. Реализация режимов ЭИП и КПН в неорганических кристаллах, активированных ионами редкоземельных металлов. Исследование влияния частотной селекции внутри неоднородного контура ансамбля ионов редкоземельных металлов, допированных в неорганические кристаллы, на степень просветления среды в условиях электромагнитно индуцированной прозрачности.

Научная новизна работы

1. Разработан и экспериментально опробован новый бесконтактный метод измерения величины и направления магнитного поля в плазме. Показана возможность использования эффекта электромагнитно индуцированной

прозрачности для измерения профиля запаса устойчивости в термоядерной плазме, удерживаемой в тороидальной магнитной ловушке.

2. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность возникновения прозрачности для резонансного лазерного излучения в оптически плотной среде возбужденных атомов под действием радиочастотного управляющего поля.

3. Впервые реализованы режимы электромагнитно индуцированной прозрачности при оптическом возбуждении когерентности в сверхтонкой структуре ионов Рг³⁴" и в зеемановской структуре ионов Nd³⁺ в кристалле LaF₃.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Реализация режима электромагнитно индуцированной прозрачности и когерентного пленения населенности возможна в газе возбужденных атомов. В присутствии магнитного поля возбуждение резонансной флуоресценции в режиме электромагнитно индуцированной прозрачности определяется ориентацией магнитного поля относительно лазерного пучка, что позволяет осуществить измерение локальных значений величины и направления магнитного поля в плазменных средах.

2. Электромагнитно индуцированная прозрачность может возникать в оптически плотной среде возбуждённых атомов под действием радиочастотного управляющего поля (радиочастотно индуцированная прозрачность), частота которого совпадает с зеемановским расщеплением подуровней возбужденных атомов. В этих условиях происходит генерация Стоксо-ва и анти-Стоксова излучения на смежных атомных переходах за счет резонансного рассеяния пробного пучка на индуцированной радиочастотным полем атомной когерентности.

3. В условиях воздействия на среду резонансных радиочастотного управляющего и пробного оптического полей вследствие квантовой интерференции происходит перераспределение интенсивности каналов упругого и неупругого рассеяния в спектре резонансной флуоресценции.

4. Электромагнитно индуцированная прозрачность наблюдается в кристаллах Pr^LaFs, Nd³⁺:LaF₃ при оптическом возбуждении когерентности между сверхтонкими уровнями ионов Рг³⁴ и между зеемановскими уровнями ионов Nd³⁺.

5. Спектральная селекция - выделение группы частиц с разбросом по резонансным частотам, меньшим сверхтонкого расщепления рабочих уровней - позволяет существенно увеличить степень просветления среды в условиях электромагнитно индуцированной прозрачности по сравнению со средой без частотной селекции.

Практическая и научная ценность

Проведенные исследования демонстрируют широкие возможности явления электромагнитно индуцированной прозрачности для диагностики магнитного поля в плазме. Разработанная не возмущающая плазму методика позволяет локально измерять как величину, так и направление магнитного поля. Кроме того, проведенные исследования показали принципиальную перспективность ЭИП-методики для измерения отношения полоидального и тороидального магнитных полей в тороидальной плазме.

Результаты второй главы представляются важными для реализации эффектов квантовой интерференции в гамма-диапазоне для мессбауэровских переходов. Мощное радиочастотное (микроволновое) поле может найти применение для реализации преобразования частоты оптического излучения. Технически создание радиочастотного (микроволнового) поля большой амплитуды не представляет проблемы. При этом оптическое поле является пробным, и большие интенсивности для него не требуются.

Результаты третьей главы демонстрируют широкие возможности электромагнитно индуцированной прозрачности для исследования особенностей спектров поглощения и флуоресценции сред со сложной структурой энергетических уровней, скрытых неоднородным уширением. Реализация эффективного режима электромагнитно индуцированной прозрачности в условиях частотной селекции поглощающих атомов расширяет возможности хранения оптического импульса в среде в форме ЭИП-поляритона (связанное состояние фотона и спиновой когерентности [35]) с последующим его считыванием, что является важным для хранения, передачи и обработки оптической информации, построения квантовых компьютеров.

Достоверность положений и результатов диссертации определяется использованием апробированных экспериментальных методов. Экспериментальные результаты подтверждены теоретическими и численными расчётами, основанными на адекватно выбранных физических моделях анализируемых процессов, и не противоречат результатам других групп исследователей. Результаты диссертации опубликованы в ведущих российских и иностранных реферируемых журналах, неоднократно докладывались на российских и международных конференциях по проблемам, связанным с тематикой диссертационной работы.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы изложены в научных статьях в отечественных и зарубежных журналах и сборниках трудов [1а-7а]. Всего по теме диссертации опубликовано 6 статей в реферируемых журналах

(Письма в ЖЭТФ, Учёные записки Казанского государственного университета. Физико-математические науки, Physics of Plasmas, Journal of Modern Optics, Proceedings of SPIE), 1 статья в сборниках трудов международных конференций и 8 тезисов докладов. Материалы диссертации докладывались на научных семинарах Института прикладной физики РАН, российских и международных конференциях, в том числе: "IX Международные Чтения по квантовой оптике" (Санкт-Петербург, 2003), "Frontiers of Nonlinear Phys-ics'2004" (Нижний Новгород), "International Conference on Coherent and Nonlinear Optics" (ICONO, Санкт-Петербург, 2005), "Conference on Lasers and Electro-Optics (Europe)/European Quantum Electronics Conference" (CLEO-Europe/EQEC Германия, 2005), "VIII International Symposium on Photon Echo and Coherent Spectroscopy" (PECS'2005, Калининградская обл., Светлогорск), "Coherent Control of the Fundamental Processes in Optics and X-ray-Optics" (CCFP'2006, Нижний Новгород), "Frontiers of Nonlinear Physics'2007" (Нижний Новгород), "X Международные чтения по квантовой оптике" (Самара, 2007), "18^th Laser Physics Workshop" (Испания, 2009), "Frontiers of Nonlinear Physics'2010" (Нижний Новгород), "20^th Laser Physics Workshop" (Босния, 2011), "International Conference on Quantum Technologies" (Москва, 2011).

Проведенные исследования были отмечены поощрительным дипломом на IX Конкурсе работ молодых ученых ИПФ РАН, дипломом I степени на XII Конкурсе работ молодых ученых ИПФ РАН, поддержаны стипендией им. академика Г. А. Разуваева в 2005-2006 гг. и в 2006-2007 гг.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично либо при его непосредственном участии. Основу диссертации составили работы [1А-16А]. Автором внесен основной вклад в проведение экспериментов и анализ экспериментальных результатов, представленных в работах [1А, 2А, ЗА, 5А, 10А, 13А, 14А]. Теоретический анализ и численное моделирование осуществлялись совместно с другими соавторами. В работах [4А, 6А - 9А, ПА, 12А, 15А, 16А] вклад всех соавторов равноценен. Постановка задач, интерпретация полученных результатов и формулировка выводов исследований осуществлялись совместно с научным руководителем и другими соавторами публикаций.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 119 страниц, включая 49 рисунков. Список литературы содержит 112 наименований.

Похожие диссертации на Экспериментальное исследование квантовых интерференционных эффектов в газе возбуждённых атомов и в примесных кристаллах

Экспериментальные исследования фотогальванического эффекта в кристаллах ниобата литияПугачев, Алексей Маркович

Эффекты пондеромоторного действия когерентного света на резонансные атомы, разреженный газ и плазмуКраснов, Игорь Васильевич

Фотостимулированные процессы и адсорбция атомов серебра на поверхности кристаллов хлористого серебраОвчинников Олег Владимирович

Фурье-спектроскопия высокого разрешения в исследовании кристаллов с редкоземельными ионамиПопова, Марина Николаевна

Фазовые переходы и процессы упорядочения в кристаллах оксифторидов - исследование методом комбинационного рассеяния светаГерасимова Юлия Валентиновна

Совершенствование методов создания ИК-лидарных систем на основе нелинейно-оптических кристаллов для исследований атмосферных газовАйрапетян, Валерик Сергеевич

Экспериментальное исследование спектральных свойств кристаллов, активированных редкоземельными элементами, и возможности реализации на их основе элементов устройств для квантовых вычислений и коммуникацийБондарцев, Александр Анатольевич

Исследование широкозонных халькогенидных кристаллов для параметрических генераторов света среднего ИК диапазонаТяжев, Алексей Владимирович

Оптико-физические исследование динамики решетки моноклинных кристаллов типа CsH2PO4 при структурных фазовых переходахЩур, Ярослав Иосифович

Экспериментальное исследование фотостимулированных процессов в кристаллах DKDP при комнатной температуреСинько, Дмитрий Владимирович