Többfotonos adiabatikus átmenetek alkalmazása rubídium atomok koherens gyorsítására

Abstract

Rezonáns lézersugárzás segítségével nemcsak az atom belső állapota manipulálható. Egy gerjesztés, illetve spontán vagy indukált emisszió az elnyelt vagy kibocsátott fotonlendület miatt az egész atom mozgását is befolyásolja. Ilyen módon az atomok célzottan lassíthatóak vagy gyorsíthatóak, illetve lehet őket hűteni és csapdázni. Atomok koherens manipulálása csak indukált folyamatokon keresztül lehetséges (gerjesztés és indukált emisszió) - a spontán emisszió lerombolja a kvantumállapot koherenciáját. Lézerimpulzussal létrehozott indukált folyamatok sokféleképpen használhatóak atomok mozgásának manipulációjára (pl: atomnyalábok eltérítése vagy fókuszálása) és számos esetben lehetőséget nyújtanak az atomi hullámcsomagok koherenciájának megőrzésére. A koherencia megőrzéséhez fontos, hogy a kölcsönhatásban a teljes populáció átvihető legyen, erre egy hatékony és robusztus megoldás az adiabatikus átmenet [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]. Ezek a módszerek gyakran két egymással szemben haladó lézerimpulzust használnak, melyek egymás után kölcsönhatva az atommal (az atom spontán élettartamánál rövidebb időn belül) kényszerítik az atomot populációváltásra (alapállapotból gerjesztett állapotba és vissza). Egy foton elnyelésével az alapállapotból a gerjesztett állapotba jutó atom a foton lendületét is elnyeli, és ℏ𝑘 impulzust kap. Amennyiben a gerjesztést követően egy másik ellentétes irányú, a gerjesztő impulzushoz hasonló lézerimpulzussal hat kölcsön az atom, akkor indukált emisszió jön létre. Ezáltal a rendszer ismét ugyanabban az irányban még egy ℏ𝑘 impulzust kap. Fontos, hogy addig történjen meg a második nyaláb kölcsönhatása az atomokkal, míg azok gerjesztése számottevően nem csökken a spontán emisszió miatt. Tehát a rendszer így összesen 2ℏ𝑘 impulzushoz jut. [8] [9] [10] Fontos eredményt mutat, amikor a kölcsönhatást végző szembehaladó lézerimpulzusok nem külön-külön, hanem egymással részben átfedve egyszerre hatnak kölcsön az atommal. A szimulációs modellek azt mutatták, hogy az atom a várt 2ℏ𝑘 helyett ennek egész számú többszörösét is képes megkapni. [11] [12] [13]. Ez akkor lehetséges, ha a folyamat adiabatikus, amely a kölcsönhatás paramétereire (lézerintenzitás, impulzushossz, frekvenciafutás, impulzusok átfedése, stb.) nézve szigorú specifikációt jelent. A jelenség neve többfotonos adiabatikus átmenet. Az atomok gyorsításának ilyen kompakt módon fontos gyakorlati haszna lehet.