Leņķiskā momenta stāvokļa kvantu tomogrāfija optoelektronikas ierīču projektēšanai

Projekta vadītājs Mārcis Auziņš

Projekts plānotos mērķus ir sasniedzis daļēji jo projekta finansējums netika piešķirts pieprasītajā apjomā. Tomēr ir iegūti zinātnieki nozīmīgi rezultāti, ir publicēti četri raksti SCI saraksta žurnālos ar augstu IMPACT faktoru un aizstāvēta viena promocijas darbs fizikas doktora grāda iegūšanai.

Galvenie zinātniskie rezultāti ir 

1.  Projekta ietvaros ir pētīts Cs atoma tā sauktā D1 pāreja, kas saista savā starpā pamatstāvokļa 2S1/2 un ierosināta stāvokļa 2P1/2 līmeņus. Cs atomā šī pāreja ir unikāla salīdzinot ar citiem sārmu metāliem tā iemesla dēļ, ka šai pārejai, atomiem atrodoties optiskā šūnā istabas temperatūrā, ir iespējams izšķirt supersīkstruktūras līmeņus vienlaikus gan pamata, gan arī ierosintātajā stāvoklī. Tas ļauj uzdevumu par pamatstāvokļa stāvokļa blīvuma matricas restaurēšanu no eksperimentā mērītiem signāliem (tomogrāfiju) risināt precīzi definētos apstākļos, kad ir viennozīmīgi nosakāms pamata un ierosinātās stāvokļa supersīkstruktūras līmeņu kvantu skaitlis F. Protams, arī šajos apstākļos ir jāievēro atomu termisko kustību – Doplera efektu. Projekta ietvaros Cs D1 līnijai fluorescenci ierosinot ar diožu lāzera starojumu sistemātiski izpētīta pamatstāvokļa blīvuma matricas izsauktā signāla atkarība no lāzera līnijas intensitātes un pamatstāvokļa relaksācijas ātruma (tiek mainīts mainot lāzera stara diametru samērā plašās robežās. Stāvokļa blīvuma matricas saistības ar novērojamajiem signāliem noteikšanai tiek izmantotai kustības vienādojumi, kas tiek iegūti no optiskajiem Bloha vienādojumiem. ]
    
2. Atšķirībā no citu autoru iepriekš iegūtajiem pretrunīgajiem rezultātiem pētījumā tika parādīts, ka ir ļoti laba atbilstība starp teorētiski modelētajiem signāliem un eksperimentā mērītajiem. Izdodas precīzi paredzēt gaišo un tumšo rezonanšu zīmes un eksperimentālos apstākļus pie kuriem šīm rezonansēm notiek zīmju maiņa. Tāpat pētījumā izdevās ļoti labi izskaidrot gan rezonanšu kontrastu, gan arī to platuma atkarību no eksperimenta apstākļiem – lāzera starojuma intensitātes un pamatstāvokļa relaksācijas ātruma. Iegūtie rezultāti apstiprina pieņēmumu, ka šie signāli ir noteikti ar relatīvo pāreju varbūtību starp supersīkstruktūras līmeņu magnētiskajiem apakšlīmeņiem, izmaiņām magnētiskajā laukā. [5.1]
    
3. Izmantojot nanoizmēra optiskās šūnas, kurās šūnas izmēri vienam virzienam telpā ir vienādi ar atoma rezonanses pārejas viļņu garumu, šī projekta ietvaros ir izdevies tiešos mērījumos izpētīt optisko pāreju starp supersīkstruktūras līmeņu magnētiskajiem apakšlīmeņiem atkarību no ārējā magnētiskā lauka. Magnētiskais lauks tika mainīts plašās robežās no 0.1 mT līz 0.25 T. Eksperimenti tika veikti Rb atomos ierosmei izmantojot atoma gan D1 (2S1/2 - 2P1/2) gan arī D2 (2S1/2 - 2P3/2) pārejas. Caurizgājušās gaismas spektrā tika novērotas šauras rezonanses, kas magnētiskajā laukā sašķeļas vairākās komponentēs Šīs komponentes atbilst pārejām starp noteiktiem supersīkstruktūras līmeņa magnētiskajiem apakšlīmeņiem. ‘Metode ļauj precīzi noteikt atoma pamatstāvokļa stāvokļa blīvuma matricu – veikts atoma pamatstāvokļa blīvuma matricas tomogrāfisko restaurāciju. Metode var tik izmantota Zemes magnētiskā lauka mērījumiem ar augstu telpisko izšķirtspēju, ko ierobežo vienīgi rezonanse pārejā izstarotās gaismas viļņa garums (difrakcijas efekti). [5.2]
    
4. Optiskie magnetometri tiek izmantoti lai ar augstu precizitāti mērītu magnētisko lauku. Eksperimentātoru vēlme ir izveidot tehniski pēc iespējas vienkāršākus magnetometrus, kuros netiek izmantotas kriogēnās iekārtas. Taču magnetometriem, kas ir domāti Zemes magnētiskā lauka praktiskiem mērījumiem, ar pielietojumiem sākot no kājnieku mīnu meklēšanas līdz arheoloģijai, piemīt viens būtisks trūkums. To radītā signāla saistītu ar mērāmā magnētiskā lauka intensitāti ir nelineāra. Šā pētījuma ietvaros pirmo reizi ir izdevies nodemonstrēt eksperimentāli, ka magnetometra signāla atkarību no mērāmā lauka intensitātes var padarīt lineāru izmantojot pamatstāvokļa augsta ranga koherences – heksadekapola momentu stāvokļa blīvuma matrica izvirzījumā pa nereducējamajiem tenzoru operatoriem. Šīs metodes priekšrocības ir nodemonstrētas praktiski izmantojot Rb atoma tvaikus. Izmantojot kvantu tomogrāfijas metodi šī darba ietvaros lai parādītu pamatstāvokļa blīvuma matricas saistību ar novērojamajiem signāliem, ir restaurēta atomu pamatstāvokļa blīvuma matrica [5.3] 
    
5. Projekta ietvaros ir parādīts, ka radīt koherentu pamatstāvokļa blīvuma matricu ir iespējams izmantojot nekoherentu gaismas avotus. Šī iespēja ir analizēta teorētiska modeļa ietvaros risinot stāvokļa matricas optiskos Bloha vienādojumus spektrāli platas ierosmes gadījumā. Projekta ietvaros ir veikta koherences radīšanas ar nekoherentu gaismu metodes kvantitatīva analīze un ir kvantitatīvi noskaidrots metodes efektivitāte. [5.4]