Estrutura óptica - Optical lattice

Átomos (representados como esferas azuis) retratados em um potencial de rede ótica 2D (representados como a superfície amarela).

Uma rede óptica é formada pela interferência de feixes de laser contra-propagados , criando um padrão de polarização espacialmente periódico. O potencial periódico resultante pode prender átomos neutros por meio do deslocamento Stark . Os átomos são resfriados e se reúnem nos extremos potenciais (no máximo para reticulados com desafinamento de azul e mínimos para reticulados com desafinamento de vermelho). O arranjo resultante de átomos aprisionados se assemelha a uma estrutura de cristal e pode ser usado para simulação quântica .

Os átomos presos na rede óptica podem se mover devido ao tunelamento quântico , mesmo se a profundidade do poço potencial dos pontos da rede exceder a energia cinética dos átomos, que é semelhante aos elétrons em um condutor . No entanto, uma transição superfluido - isolador de Mott pode ocorrer, se a energia de interação entre os átomos se tornar maior do que a energia de salto quando a profundidade do poço é muito grande. Na fase isolante de Mott, os átomos ficarão presos nos potenciais mínimos e não podem se mover livremente, o que é semelhante aos elétrons em um isolador . No caso dos átomos Fermiônicos, se a profundidade do poço for aumentada, os átomos formarão um antiferromagnético , ou seja, o estado de Néel em temperaturas suficientemente baixas.

Parâmetros

Existem dois parâmetros importantes de uma rede óptica: a profundidade do poço potencial e a periodicidade .

Controle de profundidade potencial

O potencial experimentado pelos átomos está relacionado à intensidade do laser usado para gerar a rede óptica. A profundidade potencial da rede óptica pode ser ajustada em tempo real, alterando-se a potência do laser, que normalmente é controlada por um AOM ( modulador acústico-óptico ). O AOM é ajustado para desviar uma quantidade variável da potência do laser para a rede óptica. A estabilização de potência ativa do laser de rede pode ser realizada por feedback de um sinal de fotodiodo para o AOM.

Controle de Periodicidade

A periodicidade da rede óptica pode ser ajustada mudando o comprimento de onda do laser ou mudando o ângulo relativo entre os dois feixes de laser. O controle em tempo real da periodicidade da rede ainda é uma tarefa desafiadora. O comprimento de onda do laser não pode ser facilmente variado em uma grande faixa em tempo real e, portanto, a periodicidade da rede é normalmente controlada pelo ângulo relativo entre os feixes de laser. No entanto, é difícil manter a rede estável ao mudar os ângulos relativos, uma vez que a interferência é sensível à fase relativa entre os feixes de laser. Os lasers de safira de titânio , com seu grande alcance ajustável, fornecem uma plataforma possível para o ajuste direto do comprimento de onda em sistemas de rede óptica.

O controle contínuo da periodicidade de uma rede óptica unidimensional, mantendo os átomos presos in-situ, foi demonstrado pela primeira vez em 2005, usando um galvanômetro de eixo único controlado por servo. Esta "rede de acordeão" foi capaz de variar a periodicidade da rede de 1,30 a 9,3 μm. Mais recentemente, um método diferente de controle em tempo real da periodicidade da rede foi demonstrado, no qual a franja central se moveu menos de 2,7 μm enquanto a periodicidade da rede foi alterada de 0,96 para 11,2 μm. Manter átomos (ou outras partículas) presos enquanto muda a periodicidade da rede ainda precisa ser testado experimentalmente de forma mais completa. Essas redes de acordeão são úteis para controlar átomos ultracold em redes ópticas, onde o pequeno espaçamento é essencial para o tunelamento quântico e o grande espaçamento permite a manipulação de um único local e detecção espacialmente resolvida. A detecção resolvida de sítio da ocupação de sítios de rede de bósons e férmions dentro de um regime de tunelamento alto é regularmente realizada em microscópios de gás quântico.

Princípio da Operação

Uma rede óptica básica é formada pelo padrão de interferência de dois feixes de laser contra-propagados. O mecanismo de captura ocorre por meio do deslocamento Stark, onde a luz fora de ressonância causa alterações na estrutura interna de um átomo. O efeito da mudança Stark é criar um potencial proporcional à intensidade. Este é o mesmo mecanismo de captura das armadilhas ópticas de dipolo (ODTs), com a única diferença importante sendo que a intensidade de uma rede óptica tem uma variação espacial muito mais dramática do que uma ODT padrão.

A mudança de energia para (e, portanto, o potencial experimentado por) um estado fundamental eletrônico é dada pela teoria de perturbação independente do tempo de segunda ordem , onde a rápida variação de tempo do potencial de rede em frequências ópticas foi calculada a média do tempo. ${\ displaystyle \ vert g_ {i} \ rangle}$

{\ displaystyle 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}}}}

onde estão os elementos da matriz de transição para as transições do estado fundamental para os estados excitados . Para um sistema de dois níveis, isso simplifica para

{\ 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}

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

onde é a largura de linha da transição de estado excitado.

{\ displaystyle \ Gamma}

Uma imagem alternativa das forças de luz estimuladas devido ao efeito AC Stark é ver o processo como um processo Raman estimulado, onde o átomo redistribui fótons entre os feixes de laser contrapropagantes que formam a rede. Nesta foto, fica mais claro que os átomos só podem adquirir momento da rede em unidades de , onde é o momento de um fóton de um feixe de laser. ${\ displaystyle \ pm 2 \ hbar k}$ ${\ displaystyle \ hbar k}$

Desafios Técnicos

O potencial de captura experimentado pelos átomos em uma armadilha dipolo óptica é fraco, geralmente abaixo de 1 mK. Assim, os átomos devem ser resfriados significativamente antes de carregá-los na rede óptica. Técnicas de refrigeração utilizados para este fim incluem armadilhas magneto-óptica , arrefecimento Doppler , arrefecimento gradiente de polarização , de Raman de arrefecimento , resolvido de banda lateral de arrefecimento , e resfriamento evaporativo .

Depois que os átomos frios são carregados na rede óptica, eles experimentam aquecimento por vários mecanismos, como o espalhamento espontâneo de fótons dos lasers da rede óptica. Esses mecanismos geralmente limitam o tempo de vida dos experimentos de rede óptica.

Estudo de átomos em redes ópticas

Uma vez resfriados e presos em uma rede óptica, eles podem ser manipulados ou deixados para evoluir. As manipulações comuns envolvem o "tremor" da rede óptica, variando a fase relativa entre os feixes de contrapropagação ou modulação de amplitude da rede. Depois de evoluir em resposta ao potencial de rede e quaisquer manipulações, os átomos podem ser visualizados por meio de imagens de absorção.

Uma técnica de observação comum é a imagem de tempo de voo (TOF). A imagem TOF funciona primeiro esperando algum tempo para que os átomos evoluam no potencial da rede, depois desligando o potencial da rede (desligando a energia do laser com um AOM). Os átomos, agora livres, espalham-se em taxas diferentes de acordo com seus momentos. Ao controlar a quantidade de tempo que os átomos têm permissão para evoluir, a distância percorrida pelos átomos mapeia o que seu estado de momentum deve ter sido quando a rede foi desligada. Como os átomos na rede só podem mudar de momento , um padrão característico em uma imagem TOF de um sistema de rede óptica é uma série de picos ao longo do eixo da rede nos momentos , onde . Usando a imagem TOF, a distribuição do momento dos átomos na rede pode ser determinada. Combinado com imagens de absorção in-situ (tiradas com a rede ainda ligada), isso é suficiente para determinar a densidade do espaço de fase dos átomos aprisionados, uma métrica importante para diagnosticar a condensação de Bose-Einstein (ou mais geralmente, a formação de fases quânticas degeneradas de matéria). ${\ displaystyle \ pm 2 \ hbar k}$ ${\ displaystyle \ pm 2n \ hbar k}$ ${\ displaystyle n \ in \ mathbb {Z}}$

Usos

Em simulação quântica

Os átomos em uma rede óptica fornecem um sistema quântico ideal onde todos os parâmetros podem ser controlados. Como os átomos podem ser visualizados diretamente - algo difícil de fazer com elétrons em sólidos - eles podem ser usados para estudar efeitos que são difíceis de observar em cristais reais. As técnicas de microscopia de gás quântico aplicadas a sistemas de rede óptica de átomos aprisionados podem até fornecer resolução de imagem de um único local de sua evolução.

Ao interferir com diferentes números de feixes em várias geometrias, várias geometrias de rede podem ser criadas. Estes variam desde o caso mais simples de dois feixes de contrapropagação formando uma rede unidimensional, até geometrias mais complexas como redes hexagonais. A variedade de geometrias que podem ser produzidas em sistemas de rede óptica permitem a realização física de diferentes hamiltonianos, como o modelo de Bose-Hubbard , a rede de Kagome e o modelo de Sachdev-Ye-Kitaev e o modelo de Aubry-André. Ao estudar a evolução dos átomos sob a influência desses hamiltonianos, pode-se obter um insight sobre as soluções para o hamiltoniano. Isso é particularmente relevante para hamiltonianos complicados que não são facilmente solúveis usando técnicas teóricas ou numéricas, como aquelas para sistemas fortemente correlacionados.

Relógios Ópticos

Os melhores relógios atômicos do mundo usam átomos aprisionados em redes ópticas para obter linhas espectrais estreitas que não são afetadas pelo efeito Doppler e recuo .

Informação Quântica

Eles também são candidatos promissores para o processamento quântico de informações .

Interferometria atômica

Redes ópticas agitadas - onde a fase da rede é modulada, fazendo com que o padrão da rede varra para frente e para trás - podem ser usadas para controlar o estado de momentum dos átomos presos na rede. Esse controle é exercido para dividir os átomos em populações de diferentes momentos, propagá-los para acumular diferenças de fase entre as populações e recombiná-los para produzir um padrão de interferência.

Outros usos

Além de capturar átomos frios, as redes ópticas têm sido amplamente utilizadas na criação de grades e cristais fotônicos . Eles também são úteis para classificar partículas microscópicas e podem ser úteis para montar matrizes de células .

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