Optik kafes - Optical lattice

2B optik kafes potansiyelinde (sarı yüzey olarak temsil edilir) resmedilen atomlar (mavi küreler olarak temsil edilir).

Bir optik kafes , uzaysal olarak periyodik bir polarizasyon modeli yaratarak , karşı yayılan lazer ışınlarının girişimi ile oluşturulur. Ortaya çıkan periyodik potansiyel , Stark kayması yoluyla nötr atomları yakalayabilir . Atomlar soğutulur ve potansiyel aşırı uçta toplanır (mavi ayarlı kafesler için maksimumda ve kırmızı ayarlı kafesler için minimumda). Yakalanan atomların ortaya çıkan düzenlemesi bir kristal kafese benzer ve kuantum simülasyonu için kullanılabilir .

Optik kafes içinde tutulan atomlar , kafes noktalarının potansiyel kuyu derinliği, bir iletkendeki elektronlara benzer şekilde atomların kinetik enerjisini aşsa bile, kuantum tünelleme nedeniyle hareket edebilir . Bununla birlikte, kuyu derinliği çok büyük olduğunda atomlar arasındaki etkileşim enerjisi atlama enerjisinden daha büyük olursa , bir süperakışkan - Mott yalıtkan geçişi meydana gelebilir . Mott yalıtkan fazında, atomlar potansiyel minimumda tutulacak ve bir yalıtkandaki elektronlara benzer şekilde serbestçe hareket edemezler . Fermiyonik atomlar durumunda, kuyu derinliği daha da arttırılırsa, atomların yeterince düşük sıcaklıklarda bir antiferromanyetik , yani Neel durumu oluşturacağı tahmin edilmektedir .

parametreler

Bir optik kafesin iki önemli parametresi vardır: potansiyel kuyu derinliği ve periyodiklik .

Potansiyel Derinlik Kontrolü

Atomların deneyimlediği potansiyel, optik kafes oluşturmak için kullanılan lazerin yoğunluğu ile ilgilidir. Optik kafesin potansiyel derinliği, normalde bir AOM ( akusto-optik modülatör ) tarafından kontrol edilen lazerin gücü değiştirilerek gerçek zamanlı olarak ayarlanabilir . AOM, lazer gücünün değişken bir miktarını optik kafese saptıracak şekilde ayarlanmıştır. Kafes lazerin aktif güç stabilizasyonu, bir fotodiyot sinyalinin AOM'ye geri bildirimi ile gerçekleştirilebilir.

Periyodikliğin Kontrolü

Optik kafesin periyodikliği , lazerin dalga boyu değiştirilerek veya iki lazer ışını arasındaki göreli açı değiştirilerek ayarlanabilir . Kafesin periyodikliğinin gerçek zamanlı kontrolü hala zorlu bir iştir. Lazerin dalga boyu gerçek zamanlı olarak geniş bir aralıkta kolayca değiştirilemez ve bu nedenle kafesin periyodikliği normal olarak lazer ışınları arasındaki göreli açı tarafından kontrol edilir. Bununla birlikte, girişim, lazer ışınları arasındaki bağıl faza duyarlı olduğundan, bağıl açıları değiştirirken kafesin sabit tutulması zordur . Titanyum-safir lazerler , geniş ayarlanabilir aralıkları ile optik kafes sistemlerinde dalga boyunun doğrudan ayarlanması için olası bir platform sağlar.

Yakalanan atomları yerinde tutarken tek boyutlu bir optik kafesin periyodikliğinin sürekli kontrolü, ilk olarak 2005 yılında tek eksenli servo kontrollü bir galvanometre kullanılarak gösterildi. Bu "akordeon kafes", kafes periyodikliğini 1,30 ila 9,3 μm arasında değiştirebildi. Daha yakın zamanlarda, kafes periyodikliğinin gerçek zamanlı kontrolünün farklı bir yöntemi gösterildi, burada merkez saçak 2,7 μm'den daha az hareket ederken, kafes periyodikliği 0,96'dan 11,2 μm'ye değiştirildi. Kafes periyodikliğini değiştirirken atomları (veya diğer parçacıkları) hapsetmek, deneysel olarak daha kapsamlı bir şekilde test edilmeyi beklemektedir. Bu tür akordeon kafesler, kuantum tünelleme için küçük boşlukların gerekli olduğu ve büyük boşlukların tek bölge manipülasyonu ve uzamsal olarak çözümlenmiş algılamayı mümkün kıldığı optik kafeslerdeki ultra soğuk atomları kontrol etmek için kullanışlıdır. Yüksek tünelleme rejiminde hem bozonların hem de fermiyonların kafes yerlerinin işgalinin saha çözümlü tespiti, kuantum gaz mikroskoplarında düzenli olarak gerçekleştirilir.

Çalışma prensibi

Temel bir optik kafes, iki karşıt yayılan lazer ışınının girişim deseni ile oluşturulur. Yakalama mekanizması, rezonans dışı ışığın bir atomun iç yapısında kaymalara neden olduğu Stark kayması yoluyla gerçekleşir. Stark kaymasının etkisi, yoğunlukla orantılı bir potansiyel yaratmaktır. Bu, Optik Dipol Tuzaklarında (ODT'ler) olduğu gibi aynı yakalama mekanizmasıdır , tek büyük fark, bir optik kafesin yoğunluğunun standart bir ODT'den çok daha dramatik bir uzaysal varyasyona sahip olmasıdır.

Elektronik bir zemin durumuna (ve dolayısıyla deneyimlenen potansiyele) enerji kayması , optik frekanslarda kafes potansiyelinin hızlı zaman değişiminin zaman ortalamasının alındığı ikinci dereceden zamandan bağımsız pertürbasyon teorisi ile verilir . $\vert g_{i}\rangle$

U(\mathbf {r} )=\Delta E_{i}={\frac {3\pi c^{2}\Gamma {2\omega _{0}^{3}}}I( \mathbf {r} )\times \sum _{j}{\frac {c_{ij}^{2}}{\Delta _{ij}}}

temel durumdan uyarılmış durumlara geçişler için geçiş matrisi elemanları nerede ? İki seviyeli bir sistem için bu,

{\textstyle \mu _{ij}=\langle e_{j}\vert \mu \vert g_{i}\rangle \equiv c_{ij}\|\mu \|}

{\textstyle \vert g_{i}\rangle }

{\textstyle \vert e_{j}\rangle}

U(\mathbf {r} )=\Delta E={\frac {3\pi c^{2}}{2\omega _{0}^{3}}}{\frac {\Gama } {\Delta }}Ben(\mathbf {r} )

uyarılmış durum geçişinin çizgi genişliği nerede .

{\görüntüleme stili \Gama }

AC Stark etkisine bağlı olarak uyarılmış ışık kuvvetlerinin alternatif bir resmi, süreci, atomun kafes oluşturan karşı yayılan lazer ışınları arasında fotonları yeniden dağıttığı, uyarılmış bir Raman süreci olarak görmektir. Bu resimde, atomların yalnızca bir lazer ışınının fotonunun momentumu olan , birimlerinde kafesten momentum kazanabilecekleri daha açıktır. $\pm 2\hbar k$ ${\görüntüleme stili \hbar k}$

Teknik Zorluklar

Optik bir dipol tuzağındaki atomların deneyimlediği yakalama potansiyeli zayıftır, genellikle 1 mK'nin altındadır. Bu nedenle atomlar, optik kafese yüklenmeden önce önemli ölçüde soğutulmalıdır. Bu amaçla kullanılan soğutma teknikleri arasında manyeto-optik tuzaklar , Doppler soğutma , polarizasyon gradyan soğutma , Raman soğutma , çözülmüş yan bant soğutma ve buharlaşmalı soğutma yer alır .

Soğuk atomlar optik kafese yüklendikten sonra, optik kafes lazerlerinden gelen fotonların kendiliğinden saçılması gibi çeşitli mekanizmalarla ısınma yaşayacaklardır. Bu mekanizmalar genellikle optik kafes deneylerinin ömrünü sınırlar.

Optik Kafeslerdeki Atomları İncelemek

Soğutulduktan ve optik bir kafes içinde tutulduktan sonra manipüle edilebilir veya evrimleşmeye bırakılabilirler. Yaygın manipülasyonlar, karşı yayılan ışınlar arasındaki nispi fazı değiştirerek veya kafesin genlik modülasyonunu değiştirerek optik kafesin "sallanmasını" içerir. Kafes potansiyeline ve herhangi bir manipülasyona yanıt olarak geliştikten sonra, atomlar absorpsiyon görüntüleme yoluyla görüntülenebilir.

Yaygın bir gözlem tekniği, Uçuş Süresi görüntülemesidir (TOF). TOF görüntüleme, önce atomların kafes potansiyelinde evrimleşmesi için bir süre bekleyerek, ardından kafes potansiyelini kapatarak (lazer gücünü bir AOM ile kapatarak) çalışır. Artık serbest olan atomlar, momentumlarına göre farklı oranlarda dağılırlar. Atomların evrimleşmesine izin verilen süreyi kontrol ederek, atomların kat ettiği mesafe, kafes kapatıldığında momentum durumlarının ne olması gerektiğiyle eşleşir. Kafesteki atomların momentumları yalnızca ile değişebildiğinden , bir optik kafes sisteminin TOF görüntüsündeki karakteristik bir model, momentlerde kafes ekseni boyunca bir dizi tepe noktasıdır , burada . TOF görüntüleme kullanılarak, kafes içindeki atomların momentum dağılımı belirlenebilir. Yerinde absorpsiyon görüntüleri ile birleştiğinde (kafes hala açıkken çekilmiş), bu, Bose-Einstein yoğunlaşmasını (veya daha genel olarak kuantum dejenere fazların oluşumunu) teşhis etmek için önemli bir ölçü olan hapsolmuş atomların faz uzay yoğunluğunu belirlemek için yeterlidir. madde). $\pm 2\hbar k$ $\pm 2n\hbar k$ $n\in \mathbb {Z}$

kullanır

Kuantum Simülasyonunda

Optik bir kafes içindeki atomlar, tüm parametrelerin kontrol edilebildiği ideal bir kuantum sistemi sağlar. Atomlar doğrudan görüntülenebildiğinden – katılarda elektronlarla yapmak zor bir şey – gerçek kristallerde gözlemlenmesi zor olan etkileri incelemek için kullanılabilirler. Yakalanmış atom optik kafes sistemlerine uygulanan kuantum gaz mikroskobu teknikleri, evrimlerinin tek bölgeli görüntüleme çözünürlüğünü bile sağlayabilir.

Çeşitli geometrilerdeki farklı sayıdaki kirişlere müdahale edilerek, değişen kafes geometrileri oluşturulabilir. Bunlar, tek boyutlu bir kafes oluşturan iki karşı yayılan kirişin en basit durumundan altıgen kafesler gibi daha karmaşık geometrilere kadar uzanır. Optik kafes sistemlerinde üretilebilen geometrilerin çeşitliliği, Bose-Hubbard modeli , Kagome kafesi ve Sachdev-Ye-Kitaev modeli ve Aubry-André modeli gibi farklı Hamiltonianların fiziksel olarak gerçekleştirilmesine izin verir . Bu Hamiltonyenlerin etkisi altındaki atomların evrimini inceleyerek Hamiltoniyen'in çözümleri hakkında fikir sahibi olunabilir. Bu özellikle, güçlü korelasyonlu sistemler için olanlar gibi teorik veya sayısal teknikler kullanılarak kolayca çözülemeyen karmaşık Hamiltoniyenlerle ilgilidir.

Optik Saatler

Dünyanın en iyi atomik saatleri , Doppler etkisinden ve geri tepmeden etkilenmeyen dar spektral çizgiler elde etmek için optik kafeslere hapsolmuş atomları kullanır .

Kuantum Bilgisi

Ayrıca kuantum bilgi işleme için umut vaat eden adaylardır .

Atom İnterferometrisi

Sarsılmış optik kafesler - kafes fazının modüle edildiği, kafes modelinin ileri geri taranmasına neden olduğu - kafes içinde hapsolmuş atomların momentum durumunu kontrol etmek için kullanılabilir. Bu kontrol, atomları farklı momentumlara sahip popülasyonlara bölmek, onları popülasyonlar arasındaki faz farklarını biriktirmek için yaymak ve bir girişim deseni üretmek için yeniden birleştirmek için uygulanır.

Diğer kullanımlar

Soğuk atomları yakalamanın yanı sıra, optik kafesler, ızgaralar ve fotonik kristaller oluşturmada yaygın olarak kullanılmaktadır . Ayrıca mikroskobik partikülleri sıralamak için kullanışlıdırlar ve hücre dizilerini birleştirmek için faydalı olabilirler .

Languages

In other projects