ZPOMALEN É A ZASTA VENÉ SVĚTLO

ZPOMALENÉ A ZASTAVENÉ SVĚTLO

A. Kalvová, FZÚ AV ČR, Praha

a

B. Velický, MFF UK a FZÚ AV ČR, Praha

... po pěti letech

A. Kalvová, FZÚ AV ČR, Prahaa

B. Velický, MFF UK a FZÚ AV ČR, Praha

02.05.2005

Plzeň CTS 2005 FZÚ AV ČR Plzeň CTS 2005 FZÚ AV ČR 3

historicky první,ale

naprosto typický

výsledek experimentu

02.05.2005


sodíkováD-čára

02.05.2005


sodíkováD-čára

obálka pulsu na vstupu

02.05.2005


obálka pulsu na výstupu

sodíkováD-čára


7.05 s

02.05.2005


16

6

G sm5.32s 1005.7

m 10229

v


sodíkováD-čára


02.05.2005


16

6

G sm5.32s 1005.7

m 10229

v


sodíkováD-čára


BEC ???

02.05.2005


Vývoj 1999 – 2004

1999

2000

2001

2002

2003

2004

atomová páraT 0

zpomalení

02.05.2005


Vývoj 1999 – 2004

1999

2000

2001

2002

2003

2004

atomová páraT 0

zpomalení atomová pára

T R.T.zpomalení

02.05.2005


Vývoj 1999 – 2004

1999

2000

2001

2002

2003

2004

atomová páraT 0


T R.T.zpomalení

zastavení zastavení

02.05.2005


Vývoj 1999 – 2004

1999

2000

2001

2002

2003

2004

atomová páraT 0


T R.T.zpomalení

krystal s def.T R.T.

zpomalení


zastavení

krystal s def.T 5 K

zpomalení &

02.05.2005


Vývoj 1999 – 2004

1999

2000

2001

2002

2003

2004

atomová páraT 0


T R.T.zpomalení


zpomalení

nové principy

(makro-skopické jevy)


zastavení

krystal s def.T 5 K

zpomalení &

pomalé světlo a BEC

02.05.2005


Vývoj 1999 – 2004

1999

2000

2001

2002

2003

2004

atomová páraT 0


T R.T.zpomalení


zpomalení

nové principy

(makro-skopické jevy)

dnes nediskutujeme


zastavení

krystal s def.T 5 K

zpomalení &

pomalé světlo a BEC

"PLYN" TÉMĚŘ NEZÁVISLÝCH ATOMŮ V KOHERENTNÍ INTERAKCI SE SVĚTLEM

02.05.2005


Zpomalené a zastavené světlo v řídkých atomárních soustavách

... dnešní téma

Makroskopický popis zpomalení i úplné zastavení světla ... malá grupová rychlost podmínka: vysoká disperse a malá absorpce kolem nosné frekvence pulsu

Možnosti: na základě jevů kvantové koherence světla a hmotné soustavy Elektromagneticky Indukovaná Transparence -- EIT ... navrhováno dávno v teoretické kvantové optice – 1969 koherentní oscilace obsazení hladin ... teoreticky objeveno a zkoumáno od r. 1981

Realisace: počínajíc rokem 1999, stále v rozvoji

gv

v experimentální oblasti v teoretické oblasti

laserová spektroskopie vysokého rozlišení kvantová optika

volba, příprava a ovládání atomárních systémů atomová fysika

AKT I. ZPOMALENÉ SVĚTLO

pohled makroskopické fysiky pohled kvantové optiky pohled atomové fysiky a konkrétní experimenty

Pohled makroskopické fysiky

puls jako vlnové klubko v dispergujícím prostředí výrazy pro grupovou rychlost

makroskopická elektrodynamika hmotných prostředí Maxwellovy rovnice, materiálový vztah, elmg. vlny

komplexní index lomu, Kramers-Kronigovy relace podmínky pro zpomalení a zastavení světla

02.05.2005


Šíření vlnových pulsů v dispergujícím prostředí

rovinná monochromatická vlna

fázová rychlost vlny o frekvenci

index lomu

(Moivre ).

cxnti

cxnt

vxttxu

/expRe

/cos

/cos, f

fv f/ vcn

sinicosei

f á z e

02.05.2005


Šíření vlnových pulsů v dispergujícím prostředí

rovinná monochromatická vlna

fázová rychlost vlny o frekvenci

index lomu

(Moivre ).

bezdispersní prostředí

cxnti

cxnt

vxttxu

/expRe

/cos

/cos, f

fv f/ vcn

sinicosei

f á z e

1

f

n

cv

02.05.2005


Šíření vlnových pulsů v dispergujícím prostředí II.

puls o nosné frekvenci vlnové klubko

lineární superposice rovinných vln

fáze do lineární aproximace podle

grupový index lomu

cxntiAtxu /exp2

d,

cx

ncxntcxntcxnt /

d

d///

d

dg

nnn

02.05.2005




nosná vlna obálka pulsu fázová rychlost grupová rychlost

index lomu grupový index lomu

1 n 4 ??????

d

dg

nnn

gf

g

//exp,

/exp2

d/exp,

vxtAvxtitxu

cxntiAcxntitxu

ncv /f gg / ncv

n

02.05.2005




nosná vlna obálka pulsu fázová rychlost grupová rychlost

index lomu grupový index lomu

1 n 4 ?????? rozhodující je disperse indexu lomu

d

dg

nnn

gf

g

//exp,

/exp2

d/exp,

vxtAvxtitxu

cxntiAcxntitxu

ncv /f gg / ncv

n

02.05.2005


Šíření vlnových pulsů v dispergujícím prostředí III.

souřadnice x souřadnice x

čas t

čas t

v bezdispersním prostředí se fáze a obálka pulsupohybují společně,

vf = vg

v dispersivním prostředí fáze předbíhá obálku pulsunízké frekvence -- vysoké,

vf > vg

02.05.2005


Elektrodynamika hmotných (spojitých) prostředí

Výchozí otázka: fysikální původ indexu lomu½ odpovědi – Maxwellovy rovnice (neomezená homogenní isotropní látka)

odpovědi – materiálový vztah uzavírá soustavu rovnic pro pole . lokální, lineární, kausální

funkce odezvy (paměťová funkce)↑ -- mikroskopický výpočet nutný

22

PED

0B

0D

DB

BE

0

0

div

div

rot

rot

t

ttttt ',''d, 0 rErP

02.05.2005






22

PED

0B

0D

DB

BE

0

0

div

div

rot

rot

dynamické

rovnice

okrajové podmínky

t

ttttt ',''d, 0 rErP

02.05.2005






22

PED

0B

0D

DB

BE

0

0

div

div

rot

rot

dynamické

rovnice

okrajové podmínky

posunutí vakua polní

komponentainduk. polarisace hmotná

komponenta

t

ttttt ',''d, 0 rErP

02.05.2005






22

PED

0B

0D

DB

BE

0

0

div

div

rot

rot

dynamické

rovnice

okrajové podmínky



komponenta

t

ttttt ',''d, 0 rErP

02.05.2005






22

PED

0B

0D

DB

BE

0

0

div

div

rot

rot

dynamické

rovnice

okrajové podmínky



komponenta

t

ttttt ',''d, 0 rErP t

02.05.2005





funkce odezvy (paměťová funkce)↑

22

PED

0B

0D

DB

BE

0

0

div

div

rot

rot

dynamické

rovnice

okrajové podmínky



komponenta

t

ttttt ',''d, 0 rErP

02.05.2005





funkce odezvy (paměťová funkce)↑ -- mikroskopický výpočet

22

PED

0B

0D

DB

BE

0

0

div

div

rot

rot

dynamické

rovnice

okrajové podmínky



komponenta

t

ttttt ',''d, 0 rErP

02.05.2005


FYSIKA




funkce odezvy (paměťová funkce)↑ -- mikroskopický výpočet

22

PED

0B

0D

DB

BE

0

0

div

div

rot

rot

dynamické

rovnice

okrajové podmínky



komponenta

t

ttttt ',''d, 0 rErP

02.05.2005


Materiálový vztah a komplexní index lomu N

materiálový vztah

dosadíme zkusmo rovinnou vlnu,

Vektor polarisace P je pak rovněž tvaru rovinné vlny,

komplexní susceptibilita Fourierova transformace funkce odezvy

Maxw. r. podmínka řešitelnosti

t

ttttt ',''d, 0 rErP

cxti /exp NAE

komplexní index lomu

tt ,, 0 rErP

0

'exp''d titt

r

2

2 1

N

N

02.05.2005



materiálový vztah





t

ttttt ',''d, 0 rErP

cxti /exp NAE


tt ,, 0 rErP

0

'exp''d titt

r

2

2 1

N

N

komplexní permitivita

02.05.2005

Plzeň CTS 2005 FZÚ AV ČR Plzeň CTS 2005 FZÚ AV ČR 34Maxwellův vztah


materiálový vztah





t

ttttt ',''d, 0 rErP

cxti /exp NAE


tt ,, 0 rErP

0

'exp''d titt

r

2

2 1

N

N

komplexní permitivita

02.05.2005


Kramers-Kronigova relace

(útlum/absorpce vlny)

komplexní index lomu = index lomu + iextinkční koeficient

Kramers-Kronigova relace: refrakce a absorpce nejsou nezávislé

K-K relace je integrální transformace

kin N

022

d2

1

kn

0

expd"i' titt jedna

reálná funkce

dvě

02.05.2005


Kramers-Kronigova relace



Kramers-Kronigova relace: refrakce a absorpce nejsou nezávislé K-K relace je integrální transformace

„Bez absorpce není disperse“

kin N

022

d2

1

kn

02.05.2005


Kramers-Kronigova relace a lokální struktura n a k



Kramers-Kronigova relace: refrakce a absorpce nejsou nezávislé K-K relace je integrální transformace


ale jádro integrálu je

silně singulární pro =

kin N

022

d2

1

kn

02.05.2005


Kramers-Kronigova relace a lokální struktura n a k

(útlum/absorpce vlny)komplexní index lomu = index lomu + iextinkční koeficientKramers-Kronigova relace: refrakce a absorpce nejsou nezávislé K-K relace je integrální transformace


ale jádro integrálu je silně singulární pro = lokální vztahy

k() maximum minimum vzestup pokles

n() pokles vzestup maximum minimum

kin N

022

d2

1

kn

02.05.2005


K-K relace a lokální struktura n a k : výchozí model

Výchozí model:

= 5, p = .9 , = 0,5

Dvě Lorentzovy linie

i

pi

00

1N

02.05.2005



Výchozí model:

= 5, p = .9 , = 0,5


i

pi

00

1N+

modrá – homogenně rozšířená absorpční linie disperse – střídá se normální | anomální | normální

02.05.2005



Výchozí model:

= 5, p = .9 , = 0,5


i

pi

00

1N+ -

modrá – homogenně rozšířená absorpční linie disperse – střídá se normální | anomální | normální červená – úzká "anti-absorpce" ... okno průhlednosti disperse – strmý téměř lineární nárůst indexu lomu

02.05.2005



Výchozí model:

= 5, p = .9 , = 0,5


i

pi

00

1N+ -

modrá – homogenně rozšířená absorpční linie disperse – střídá se normální | anomální | normální červená – úzká "anti-absorpce" ... okno průhlednosti disperse – strmý téměř lineární nárůst indexu lomu lokální vztahy mezi n a k

02.05.2005



Výchozí model:

= 5, p = .9 , = 0,5


i

pi

00

1N+ -

modrá – homogenně rozšířená absorpční linie disperse – střídá se normální | anomální | normální červená – úzká "anti-absorpce" ... okno průhlednosti disperse – strmý téměř lineární nárůst indexu lomu lokální vztahy mezi n a k puls - naladěný na okno - spektrálně úzký ( dostatečně dlouhý)

... zpomalený netlumený

02.05.2005



Výchozí model:

= 5, p = .9 , = 0,5


i

pi

00

1N+ -


... zpomalený netlumený kde hledat ??? aktivní prostředí buzené pomocným laserem

02.05.2005



Výchozí model:

= 5, p = .9 , = 0,5


i

pi

00

1N+ -



HLUBŠÍ VÝZNAMkoherentní procesy v aktivním (otevřeném)

prostředí

02.05.2005



Výchozí model:

= 5, p = .9 , = 0,5


i

pi

00

1N+ -



HLUBŠÍ VÝZNAMkoherentní procesy v aktivním (otevřeném)

prostředí

Pohled kvantové optiky

zředěný oblak dvouhladinových "atomů" atomová polarisovatelnost, komplexní index lomu

zředěný oblak tříhladinových "atomů" (-systém) kvantové provázání hladin, temné stavy, EIT a dál

výsledný komplexní index lomu reálné podmínky pro zpomalení a zastavení světla

02.05.2005


Optická odezva dvouhladinového atomu

1

3

P

3

02.05.2005



1

3

P

3

základní stav (obsazený) excitovaný stav (prázdný, konečná doba života)

02.05.2005



1

3

P

3


rozladěníresonanční frekvenceP ... "probe", měřicí sondaproměnná frekvence P- laseru

02.05.2005



1

3

P

3


rozladěníresonanční frekvenceP ... "probe", měřicí sondaproměnná frekvence P- laseru

kvantová Lorentzova resonance

atomová susceptibilita:

3

2

131

3P

2

131

0

ii

Bohrova resonanční podmínka

šířka optické linie

oscilátorová mohutnost

02.05.2005


Optická odezva tříhladinového atomu: EIT

- systém atomových hladin

1 ... základní obsazený stav

2 ... nižší ze dvou excitovaných stavů

prázdný, přechod 1 2 zakázaný

3 ... vyšší excit. stav, konečná šířka

přechody 1 3, 2 3 dovolené

naladěná frekvence Probe laseru

naladěná frekvence Coupling laseru

Velmi produktivní systém v kvantové optice

Zde jen EIT

Elektromagneticky Indukovaná Transparence

C

1

2

3

P

3

C

P

02.05.2005



Elektromagneticky Indukovaná

Transparence

1. C-laser naladěný přesně na

intensivní Rabiho frekvence

kvantové provázání prázdných stavů 2,3

2. P-laser naladěný přesně na

nevybudí optické přechody 1 3.

temné stavy EIT ... P svazek prochází

3. Při rozladění

pravděpodobnost přechodu strmě roste

úzké okno průzračnosti

velká positivní disperse indexu lomu

C

1

2

3

P

3

C

P

CE 23

1C

= - P 0

02.05.2005




Transparence

atomová susceptibilita (lineární)

pro P svazek

v přítomnosti C svazku

C

1

2

3

P

3

CE 23

1C

= - P

4

2C

3

2

131

0

i

02.05.2005




Transparence


pro P svazek


C

1

2

3

P

3

CE 23

1C

= - P

4

2C

3

2

131

0

i

návrat k dvouhladině

02.05.2005




Transparence


pro P svazek


C

1

2

3

P

3

CE 23

1C

= - P

4

2C

3

2

131

0

i

02.05.2005


Optické konstanty prostředí při EIT

zředěný plyn ... malá hustota částic relativní permitivita podmínka


C laser odpojen ("dvouhladina")

C laser zapojen EIT

grupová rychlost

1r

1

21

r 1N

cc

vn

2

13P

2C0

g2d

d

02.05.2005


Optické konstanty prostředí při EIT

zředěný plyn ... malá hustota částic relativní permitivita podmínka


C laser odpojen ("dvouhladina")

C laser zapojen EIT

grupová rychlost

1r

1

21

r 1N

cc

vn

2

13P

2C0

g2d

d

Pohled atomové fysiky a experimenty páry atomů alkalických kovů za nízkých teplot

výběr -systému pro grupovou rychlost

páry atomů alkalických kovů za pokojových teplot potlačení Dopplerova jevu

ionty vzácných zemin využití jevu "spectral hole burning" ionty přechodových kovů (chrom v rubínu) koherentní oscilace obsazení hladin

02.05.2005


EIT – objev a první pokusy

teoretická práce – S.E. Harris 1969

experiment – S.E. Harris 1991

poprvé v parách alk. kovu

shoda s teorií

snížení absorpce 200 milion krát

02.05.2005


čtyři v

ých

ozí p

ráce

02.05.2005


Pomalé světlo ve studených parách sodíku

02.05.2005


Pomalé světlo v horkých parách rubidia

Fysikální problém:tepelný pohyb atomů

Dopplerův jevPosun frekvencí

při nízkých teplotáchtento problém nevzniká

TERMCCC

TERMPPP

vq

vq

02.05.2005





při nízkých teplotáchtento problém nevzniká

TERMCCC

TERMPPP

vq

vq

nehomogenní rozšíření

spektrálních čar

02.05.2005





řešeníDopplerův posuv stejný pro oba

svazkypři společném působení se posuvy

kompensují

TERMCCC

TERMPPP

vq

vq

02.05.2005


Zpomalené světlo v krystalech Pr:YSO

hyperjemná rozštěpení řádu MHz

při optických frekvencích řádu 1015 Hz

problém:nehomogenní šířka

řádu GHz

02.05.2005



hyperjemná rozštěpení řádu MHz

při optických frekvencích řádu 1015 Hz

problém:nehomogenní šířka

řádu GHz

02.05.2005



SPECTRAL HOLE BURNING

02.05.2005



Vytvoření EIT v Pr:YSO technikou vypálení spektrální díry vzniká (nekoherentní) okno v široké čáře excitací ("repump") v něm vytvořena úzká distribuce ("antidíra") ta je vlastně triplet homog. rozšíř. čar na prostřední je naladěn C laser, vzniká EIT

02.05.2005




02.05.2005




02.05.2005



výsledky srovnatelné se zředěnými atomovými parami

02.05.2005


Zpomalené světlo v rubínu

rubín – Cr:Al2O3

při pokojové teplotě

koherentní oscilace obsazení

jednoduché zařízení

02.05.2005


Zpomalené světlo v rubínu

výsledky srovnatelné se zředěnými atomovými paramijsou však dosud ve vývoji

AKT II. ZASTAVENÉ SVĚTLO

02.05.2005


Jak se dá zastavit světlo ???

Tyto úvahy navázaly na zpomalení světla, byly však mnohem hlubší Zpomalený puls se prostorově smrští v poměru

Příklad: puls trvá dobu je dlouhý ve vakuu při 30 m/s měří jen

2 s 600m 20 m

Může se celý vejít do EIT aktivního prostředí a dlouho tam pobýt

Během této doby je možno jeho rychlost řídit regulací výkonu C-laseru, dá se i "zastavit"

Otázka: je možná jeho rekuperace a opětné rozběhnutí?

To by dávalo možnost nejenom zpožďování, ale i ukládání světelného pulsu do paměti

Od statického k dynamickému EIT

gg /1/ ncv

02.05.2005


Jak se dá zastavit světlo ???d

isperse

extinkce

frekvence

intensitaC-laseru

frekvence

cv

2

13P

2C0

g2

02.05.2005



isperse

extinkce

frekvence

intensitaC-laseru

frekvence

cv

2

13P

2C0

g2

02.05.2005



isperse

extinkce

frekvence

intensitaC-laseru

frekvence

cv

2

13P

2C0

g2

# necháme puls celý vstoupit do látky# vypínáním C-laseru

snižujemegrupovou rychlost

až k nule# co se však stane po opětovném zapnutí ???

02.05.2005


Harvard opět první

02.05.2005


Zastavené světlo v chladných parách sodíku

02.05.2005


Zastavené světlo v chladných parách sodíku

IN

OUT

C laser

02.05.2005


tři pub

likovan

é p

ráce

02.05.2005


tři pub

likovan

é p

ráce

02.05.2005


Zastavené světlo v horkých parách rubidia

02.05.2005


Zastavené světlo v horkých parách rubidia

INTERFERMETRICKY PROKÁZANÁ KOHERENCE

02.05.2005


Zastavené světlo v krystalech Pr:YSO

02.05.2005


Jak se dá zastavit a opět vypustit světlo ???

Připomenutí: v hmotném prostředí se světlo pojí s polarisací, výsledné je spojení obou

EIT Možné stavy atomů

|1 + P - světlo

|2 - hmotná excitace

(stav |3 je virtuální a prostřednictvím

C - fotonu oba koherentně propojí)

02.05.2005





|1 + P - světlo



C - fotonu oba koherentně propojí)

RAMAN

02.05.2005





|1 + P - světlo



C - fotonu oba koherentně propojí) P – světlo propojí koherentně všechny excit. |2 atomy ...

TEMNÝ POLARITON

|2 1| ... "spin", spinová koherence jako kolektivní excitace v adiabatickém (pomalém) režimu

P – světlo spinová koherence

RAMAN

02.05.2005



Výsledek teorie

Při vypínání C laseru zároveň

grupová rychlost klesá k nule

hmotná excitace tvoří 100% temného polaritonu Zastavena je tedy koherentní excitace atomového podsystému. Po opětném uvolnění se koherentně a vratně promění zpět na

světlo

AKT III. BEC A ZPOMALENÉ SVĚTLO

02.05.2005


Přímé pozorování zpomaleného a zastaveného pulsu

... HAU

zobrazení pomocí CCD2 zobrazení všech atomů |1základní stav BEC: 2D Gaussovka

č a s

selektivní zobrazení atomů ve stavu |2 ...

"spinová koherence" puls venku dlouhý cca 2 km vtéká ... hustota oblaku roste po 5 s je celý uvnitř, stlačený na 25 m a zastaven srpkovitý tvar: na krajích je hustota BEC menší, grupová rychlost tedy větší

02.05.2005


Atomový laser

... HAU

45°4.2 cm

/s

02.05.2005


Atomový laser

... HAU

45°4.2 cm

/s

kondensát |2 -atomů tvarová změna ...

interference

02.05.2005


Atomový laser

... HAU

45°4.2 cm

/s

kondensát |2 -atomů tvarová změna ...

interference

RAMAN

|1 |3

|2|3

P

C

ZÁVĚR: KAŽDÝ SI UDĚLEJ SÁM

Date post:	16-Jan-2016
Category:	Documents
Upload:	kat
View:	28 times
Download:	0 times

ZPOMALEN É A ZASTA VENÉ SVĚTLO

Documents