Lāzeru-apģērbto kvantu stāvokļu dizains un izmantošana koherentos apdzīvotību slēdžos un starojuma lauku detektoros

Projekta vadītājs: A.Ekers

Saskaņā ar plānu, projekta 1. gadā panākts būtisks progress vairākās projekta aktivitātēs: No. I - Magnētiski-optiskā slazda izbūve ar lādēšanu no Na tvaikiem; No. III- Teorētiskā modeļa izveidošana par hipersīkstruktūras lomu Autler-Townes efektā; No. IV- Teorētiskā modeļa izveide par apģērbto stāvokļu interferenci; No. V - Ramzeja interferences mērījumi Autler-Townes spektros Na atomos. Iegūti sekojoši nozīmīgi rezultāti, kuri atspoguļoti 5 publikācijās un 16 konferenču tēzēs.

1. Uzstādītas un notestētas visas Na magnētiski-otpiskā slazda komponentes (vakuumtehnika, 6-staru konfigurācijas optika, gūstošā starojuma frekvences modulācija, magnētiskā lauka spoles). Uzlabotas krāsvielu lāzeru sistēmas, kas atļauj sasniegt 2W starojuma jaudu vienfrekvences režīmā pie 589 nm, kas ar lielu rezervi nodrošina atomu gūstīšanai nepieciešamo starojuma jaudu. Tāpat teorētiski analizēta gāzes caurspīdība pie ultra-aukstām temperatūrām atomu slazdos. Tika analizēta nelineārā starojuma gūstīšana optiski blīvos tvaikos dažādos temperatūras režīmos, balstoties uz nelineāro Bibermana-Holšteina-Paina vienādojumu. Sevišķa uzmanība tika veltīta izliektas ģeometrijas parauguiem, kas ierosināti ar spēcīgu lāzera starojuma impulsu. Tika iegūta virkne jaunu formulu starojuma gūstīšanas faktoriem atkarībā no vides necaurspīdības (opacity, definēta kā nkR, kur n ir blīvums, k – absorbcijas koeficients, un R ir absorbējoša ceļa attālums) un piedāvāta vispārēja pieeja, kas atļauj novērtēt starojuma gūstīšanu gāzēs sākot no istabas temperatūras un beidzot ar ultra-aukstām temperatūrām magnētiski optiskajos slazdos. Simulācijas parāda (skat. 1. attēlu), ka starojums, kas izspīd no ultra-aukstiem tvaikiem, var izrādīt sabrukšanas konstantes, kas ir lielākas par dabisko sabrukšanas ātrumu. Rezultāts ir nozīmīgs superauksto atomu pētījumos, jo novērojamās efektīvās sabrukšanas konstantes atkarība no blīvuma atļauj to izmantot magnētiski-optisko slazdu diagnostikai. Pētījumu rezultāti atspoguļoti publikācijā Phys. Rev. A 77, 063414 (2008).

2. Apskatīti lāzeru-apģērbto stāvokļu ierosmes spektri izšķirtas un neizšķirtas enerģijas līmeņu hipersīkstruktūras (HFS) gadījumā. Simulācijās izmantotais modelis balstās uz optisko Bloha vienādojumu risināšanu enerģijas līmeņu sistēmām, kas mijiedarbojas ar vienu spēcīgu "ietērpjošo" lāzera starojuma lauku, un vienu vāju zondējošo lāzera lauku, ņemot vērā atomārās vai molekulārās sistēmas un lāzeru lauku parametrus, bet neievērojot Doplera paplašinājumu. Alternatīvi tie paši uzdevumi apskatīti, izmantojot Šrēdingera vienādojumu. Konstatēts, ka sākotnēji neizšķirtu hipersīkstruktūru, kāda raksturīga vairumam molekulu, Autler-Townes spektrā nav iespējams izšķirt pat pie lielām "ietērpjošā" lauka Rabi frekvencēm (Rabi frekvence  kur µ ir pārejas dipola moments, E ir lāzera starojuma elektriskā lauka komponentes intensitāte, un ħ ir Planka konstante). Apskatot modeļa situāciju, kad HFS sākotnēji ir izšķirta un HFS apakšlīmeņu skaits atsevišķajos līmeņos ir dažāds, ir konstatēts, ka, palielinot starojuma lauku līdz Rabi frekvencēm, kas pārsniedz attālumu starp HFS līmeņiem, visu izņemot divu malējo spektrālo komponenšu intensitātes samazinās līdz eventuāli izzūd pie lielām Rabi frekvencēm, kamēr attālums starp divām malējām komponentēm spēcīgi pieaug. Rezultāts ir skaidrojams ar tumšo stāvokļu veidošanos daudzlīmeņu sistēmā mijiedarbības rezultātā ar lāzera starojuma lauku. Šeit gan jāatzīmē, ka Šrēdingera vienādojuma un Optisko Bolha vienādojumu pieejas dod nedaudz atšķirīgus rezultātus – pirmajā izzūdošo spektrālo komponenšu pozīcijas spektrā ir nemainīgas, bet otrajā tās nedaudz mainās līdz ar stiprā lāzera lauka Rabi frekvences izmaiņām, kam tiek meklēts skaidrojums. Nākamajā solī modelis tiks piemērots reālām enerģijas līmeņu sistēmām atomos, lai konstatētu, pie kādiem eksperimentālajiem nosacījumiem ir iespējams novērot tumšo stāvokļu veidošanos. Rezultāti apkopoti publikācijā, kas ir pieņemta publicēšanai Laser Phys.

3. Noskaidrota optiskās pumpēšanas ietekme uz spektrāllīniju paplašināšanos, lai šo efektu atdalītu no izmaiņām līniju profilā, ko varētu izraisīt apģērbto stāvokļu interferences efekti. Spektrāllīniju paplašināšanās un hipersīkstruktūras komponenšu intensitāšu pārdalīšanās Na rezonanses stāvokļa hipersīkstruktūras ierosmes spektrā tika pētīti Na atomu virsskaņas kūlī atkarībā no ierosinošā lāzera starojuma intensitātes. Pētījumi bija motivēti ar detālu teorētisko modeļu trūkumu, kas atļautu aprakstīt šadus efektus daļēji atvērtās enerģijas līmeņu sistēmās. Eksperimentāli nodemonstrēts, ka Na 3p1/2 un 3p3/2 hipersīkstruktūras ierosmes spektros ievērojama spektrāllīniju paplašināšanās notiek pie ierosinošā starojuma intensitātēm, kas daudz mazākas par piesātinājuma intensitāti, kas ir pretrunā ar līdzšinējo izpratni. Novērotas arī atsevišķo hipersīkstruktūras komponenšu intensitāšu pārdalīšanās ierosmes spektros, kas dažos gadījumos bija pretrunā ar intuitīvi sagaidāmajām izmaiņām. Teorētiskā analīze parādīja, ka spektrāllīniju paplašinājumi un intensitātes ir jūtīgā veidā atkarīgi no optiskās pumpēšanas dinamikas un pāreju sazarošanās koeficientiem. Līniju paplašināšanās atkarīga no pumpēšanas parametra, kurš izsakāms kā caurlidošanas laika un optiskās pumpēšanas ātrumu attiecība. Tika iegūtas analītiskas izteiksmes kritiskajai lāzera intensitātei, kura atkarīga no sazarošanās koeficienta un uzdod slieksni, sākot no kura var novērot ievērojamu paplašināšanaos optiskās pumpēšanas rezultātā. Šī kritiskā intensitāte var būt daudz mazāka par piesātinājuma intensitāti. Rezultāti apkopoti publikācijā Phys. Rev. A 77, 042511 (2008).


4. Uz trīslīmeņu pakāpienveida līmeņu shēmas piemēra Na2 molekulās nodemonstrēts, ka projektā piedāvātā interferences shēma principā darbojas. Kad trīslīmeņu shēmā izmantots stiprs lāzera lauks pirmajā solī un vājš lauks otrajā solī, tad ierosmes spektrā novērojams signāls, kas būtiski atšķiras no tipiskā Autler-Townes dubleta. Tā vietā novērota struktūra, kuras pozīcija, forma, un platums ir atkarīgi no abu lāzeru lauku parametriem (skat. 2. attēlu). Rezultāts izskaidrots ar mehānismu, kas iesaista optisko pumpēšanu, adiabātisko stāvokļu evolūciju, un Landau-Zēnera pāreju varbūtības adiabātisko stāvokļu krustpunktos. Tika veiktas detālas skaitliskās simulācijas, kas ievēro visus kvantu stāvokļus, visas starojuma mijiedarbības, kā arī vidējošanu pa dažādiem parametriem (piem. ātrumu sadalījumiem un apdzīvotību sadalījumiem pa Zēmana apakšlīmeņiem), un novērota teicama sakritība ar eksperimentu. Kaut arī šajos sākotnējos pētījumos interferences efekti netika spektrāli izšķirti, ir nodefinēti apstākļi, kas atļaus interferences struktūru eksperimentāli izšķirt. Par šiem rezultātiem iznākusi publikācija Phys. Rev. A 78, 053804 (2008), kuras aktualitāti demonstrē fakts, ka tā tika selektēta pārpublicēšanai Virtual Journal of Ultrafast Science, http://www.vjultrafast.org/, Volume 7, Issue 12 (2008).