Введение

Электромагнитно-индуцированная прозрачность (ЭИТ) — это когерентная оптическая нелинейность, которая делает среду прозрачной в узком спектральном диапазоне вблизи линии поглощения. В этом "окне" прозрачности также возникает аномально высокая дисперсия, приводящая к эффекту "медленного света", описанному ниже. По сути, это квантовый эффект интерференции, позволяющий распространению света через среду, которая в противном случае была бы непрозрачной для него. Наблюдение ЭИТ требует использования двух оптических полей (высококогерентных источников света, таких как лазеры), настроенных на взаимодействие с тремя квантовыми состояниями материала. "Зондирующее" поле настроено вблизи резонанса между двумя состояниями и используется для измерения спектра поглощения перехода. Гораздо более интенсивное "связывающее" поле настроено вблизи резонанса на другом переходе. При правильном выборе состояний присутствие связывающего поля создаст спектральное "окно" прозрачности, которое будет обнаружено зондирующим полем. Связывающий лазер иногда называют "управляющим" или "накачкой", причем последнее название используется по аналогии с некогерентными оптическими нелинейностями, такими как спектральное выжигание или насыщение. ЭИТ основан на деструктивной интерференции амплитуды вероятности перехода между атомными состояниями. Явления когерентной ловушки населенности (CPT) тесно связаны с ЭИТ. Квантовая интерференция в ЭИТ может быть использована для лазерного охлаждения атомных частиц, вплоть до основного квантово-механического состояния движения. В 2015 году это было применено для непосредственной визуализации отдельных атомов, захваченных в оптической решетке.

Средние требования

Существуют конкретные ограничения на конфигурацию трех состояний. Два из трех возможных переходов между состояниями должны быть "дипольно разрешены", то есть переходы могут быть индуцированы колеблющимся электрическим полем. Третий переход должен быть "дипольно запрещен". Одно из трех состояний связано с двумя другими двумя оптическими полями. Три типа схем ЭИТ различаются по энергетическим разностям между этим состоянием и двумя другими. Эти схемы – лестничная, V-образная и лямбда-образная. Любая реальная материальная система может содержать множество троек состояний, которые теоретически могут поддерживать ЭИТ, но существуют практические ограничения на то, какие уровни могут быть фактически использованы. Также важны скорости дефазировки отдельных состояний. В любой реальной системе при ненулевой температуре происходят процессы, приводящие к разрушению фазы квантовых состояний. В газовой фазе это обычно означает столкновения. В твердых телах дефазировка обусловлена взаимодействием электронных состояний с кристаллической решеткой. Дефазировка состояния особенно важна; в идеале это состояние должно быть устойчивым метастабильным состоянием. В настоящее время исследования ЭИТ используют атомные системы в разбавленных газах, твердых растворах или более экзотических состояниях, таких как конденсат Бозе-Эйнштейна. ЭИТ был продемонстрирован в электромеханических и оптомеханических системах, где он известен как оптомеханически индуцированная прозрачность. Также ведутся работы в полупроводниковых наноструктурах, таких как квантовые ямы, квантовые проволоки и квантовые точки.

Теория

EIT был впервые предложен теоретически профессором Якобом Ханиным и аспирантом Ольгой Кочаровской в Горьковском государственном университете (переименованном в Нижний Новгород в 1990 году), Россия; в настоящее время существует несколько различных подходов к теоретическому рассмотрению EIT. Один из подходов заключается в расширении обработки матрицы плотности, используемой для возбуждения колебаний Раби в двух-уровневой системе с одним полем. В этой модели амплитуда вероятности перехода системы между состояниями может интерферировать деструктивно, предотвращая поглощение. В этом контексте "интерференция" относится к интерференции между квантовыми событиями (переходами), а не к оптической интерференции какого-либо рода. В качестве конкретного примера рассмотрим схему lambda, представленную выше. Поглощение зондирующего излучения определяется переходом из состояния в состояние . Поля могут приводить к переходу из состояния непосредственно или из состояния . Амплитуды вероятности для различных путей интерферируют деструктивно. Если состояние имеет сравнительно большое время жизни, то результатом будет прозрачное окно, полностью расположенное внутри линии поглощения . Другой подход – представление в терминах "одетых состояний", в котором гамильтониан системы плюс поле связи диагонализуется, а влияние на зондирующее излучение рассчитывается в новой системе координат. В этом представлении EIT напоминает комбинацию расщепления Автолера-Таунса и интерференции Фано между одетыми состояниями. Между двумя пиками, в центре окна прозрачности, квантовые амплитуды вероятности для зондирующего излучения, вызывающего переход в любое из состояний, компенсируют друг друга. Поляритонное представление особенно важно для описания схем остановленного света. Здесь фотоны зондирующего излучения когерентно "преобразуются" в "поляритоны темного состояния", которые являются возбуждениями среды. Эти возбуждения существуют (или могут быть "сохранены") в течение времени, определяемого только скоростью дефазировки.

Медленный свет и остановленный свет

Важно понимать, что EIT – это лишь один из множества различных механизмов, способных создавать медленный свет. Отношения Крамерса — Кронига диктуют, что изменение поглощения (или усиления) в узком спектральном диапазоне должно сопровождаться изменением показателя преломления в сопоставимо узкой области. Это быстрое и положительное изменение показателя преломления приводит к крайне низкой групповой скорости. Первое экспериментальное наблюдение низкой групповой скорости, обусловленной EIT, было сделано Боллером, Имамоглу и Харрисом в Стэнфордском университете в 1991 году в стронции. В 1999 году Лене Хау сообщила о замедлении света в среде ультрахолодных атомов натрия, достигнув этого с помощью квантовых эффектов интерференции, ответственных за электромагнитно-индуцированную прозрачность (EIT). Ее группа провела обширные исследования EIT совместно со Стивеном Э. Харрисом. "Используя детальное численное моделирование и аналитическую теорию, мы изучаем свойства микрорезонаторов, включающих материалы, демонстрирующие электромагнитно-индуцированную прозрачность (EIT) или ультрамедленный свет (USL). Мы обнаружили, что такие системы, будучи миниатюрными по размеру (порядка длины волны) и интегрируемыми, могут обладать выдающимися свойствами. В частности, они могут иметь время жизни на порядки больше, чем другие существующие системы, и демонстрировать нелинейное всеоптическое переключение на уровне мощности одного фотона. Потенциальные области применения включают миниатюрные атомные часы и всеоптическую квантовую обработку информации". Текущий рекорд по замедлению света в среде EIT принадлежит Budker, Kimball, Rochester и Yashchuk из U. C. Berkeley, установленный в 1999 году. Групповые скорости до 8 м/с были измерены в теплых тепловых парах рубидия. Остановленный свет, в контексте EIT-среды, относится к когерентному переносу фотонов в квантовую систему и обратно. В принципе, это предполагает отключение связывающего пучка адиабатическим образом, пока зондирующий импульс находится внутри среды EIT. Существуют экспериментальные свидетельства существования задержанных импульсов в среде EIT. Авторы создали стационарный световой импульс внутри атомной когерентной среды. В 2009 году исследователи из Гарвардского университета и MIT продемонстрировали оптический переключатель на нескольких фотонах для квантовой оптики, основанный на идеях медленного света. Лене Хау и команда из Гарвардского университета первыми продемонстрировали остановленный свет.

Охлаждение EIT

EIT использовался для лазерного охлаждения длинных цепочек атомов до основного состояния движения в ионной ловушке. Для иллюстрации техники охлаждения рассмотрим атом с тремя уровнями, как показано на рисунке: основным состоянием, возбужденным состоянием и стабильным или метастабильным состоянием, расположенным между ними. Возбужденное состояние дипольно связано с состоянием , а интенсивный "связывающий" лазер индуцирует переход на детонации выше резонанса. Вследствие квантовой интерференции амплитуд переходов, более слабый "охлаждающий" лазер, индуцирующий переход на детонации выше резонанса, наблюдает структуру, подобную фановому резонансу, на профиле поглощения. Охлаждение с помощью EIT реализуется при условии , так что переход носителя лежит на темном резонансе фаноподобной структуры, где используется для обозначения квантованного состояния движения атома. Частота Раби связывающего лазера выбирается таким образом, чтобы "красная" боковая полоса располагалась на узком максимуме фаноподобной структуры. Напротив, "синяя" боковая полоса находится в области низкой вероятности возбуждения, как показано на рисунке ниже. Благодаря большому соотношению вероятностей возбуждения, предел охлаждения оказывается ниже, чем при доплеровском или бокополосном охлаждении (при одинаковой скорости охлаждения).

Основная работа

О. Кочаровская, Я. И. Ханин, Сов. физика. JETP, 63, 945 (1986)
К. Дж. Боллер, А. Имамоглу, С. Э. Харрис, Physical Review Letters 66, 2593 (1991)
Эберли, Дж. Х., М. Л. Понс и Х. Р. Хак, Phys. Rev. Lett. 72, 56 (1994)
Д. Будкер, Д. Ф. Кимбалл, С. М. Рочестер и В. В. Ящук, Physical Review Letters, 83, 1767 (1999)
Лене Вестергаард Хау, С. Э. Харрис, Закари Даттон, Сайрус Х. Бехрузи, Nature v.397, 594 (1999)
Д. Ф. Филлипс, А. Флейшхауэр, А. Мейр, Р. Л. Уолсворт, М. Д. Лукин, Physical Review Letters 86, 783 (2001)
Наоми С. Гинзберг, Шон Р. Гарнер, Лене Вестергаард Хау, Nature 445, 623 (2007)

Обзор

Харрис, Стив (июль 1997 г.). Электромагнитно-индуцированная прозрачность. Physics Today, 50 (7), с. 36–42 (PDF Format)
Закари Даттон, Наоми С. Гинзберг, Кристофер Слоу и Лене Вестергаард Хау (2004) Искусство приручения света: ультразамедленный и остановленный свет. Europhysics News, том 35, № 2
М. Флейшхауэр, А. Имамоглу и Дж. П. Марангос (2005), "Электромагнитно-индуцированная прозрачность: оптика в когерентных средах". Reviews of Modern Physics, 77, 633