Введение

Структура атомного масштаба, сформированная посредством сдвига Старка встречными световыми пучками.

Оптическая решетка формируется за счет интерференции встречно направленных лазерных пучков, создающих пространственно-периодический рисунок поляризации. Полученный периодический потенциал может захватывать нейтральные атомы посредством сдвига Старка. Атомы охлаждаются и концентрируются в экстремумах потенциала (в максимумах для сине-детонированных решеток и в минимумах для красне-детонированных решеток). Полученная структура захваченных атомов напоминает кристаллическую решетку и может быть использована для квантового моделирования. Атомы, захваченные в оптической решетке, могут перемещаться за счет квантового туннелирования, даже если глубина потенциальной ямы в точках решетки превышает кинетическую энергию атомов, что аналогично поведению электронов в проводнике. Однако может произойти переход от сверхтекучего состояния к изолятору Мотта, если энергия взаимодействия между атомами превысит энергию перескока при большой глубине ямы. В фазе изолятора Мотта атомы будут локализованы в потенциальных минимумах и не смогут свободно перемещаться, что аналогично поведению электронов в изоляторе. В случае фермионных атомов, при дальнейшем увеличении глубины ямы, предполагается, что атомы образуют антиферромагнитное, то есть состояние Нееля при достаточно низких температурах.

История

Впервые возможность удержания атомов в стоячих световых волнах была предложена В. С. Летоховым в 1968 году.

Параметры

Есть два важных параметра оптической решетки: глубина потенциальной ямы и периодичность.

Контроль потенциальной глубины

Потенциал, испытываемый атомами, связан с интенсивностью лазера, используемого для создания оптической решётки. Глубина потенциальной ямы оптической решётки может регулироваться в реальном времени путём изменения мощности лазера, которая обычно контролируется акустооптическим модулятором (AOM). AOM настраивается для отклонения переменной части мощности лазера в оптическую решётку. Активная стабилизация мощности лазера для решётки может быть реализована посредством обратной связи сигнала от фотодиода на AOM.

Контроль периодичности

Периодичность оптической решетки может быть настроена путем изменения длины волны лазера или изменения относительного угла между двумя лазерными лучами. Контроль периодичности решетки в реальном времени по-прежнему остается сложной задачей. Длину волны лазера нелегко изменять в широком диапазоне в реальном времени, поэтому периодичность решетки обычно контролируется относительным углом между лазерными лучами. Однако, сложно поддерживать стабильность решетки при изменении относительных углов, поскольку интерференция чувствительна к относительной фазе между лазерными лучами. Титановые сапфировые лазеры, благодаря большому диапазону настройки, предоставляют возможную платформу для прямой настройки длины волны в системах оптических решеток. Непрерывный контроль периодичности одномерной оптической решетки с сохранением захваченных атомов на месте впервые был продемонстрирован в 2005 году с использованием одноосевого сервоуправляемого гальванометра. Эта "аккордеонная решетка" способна изменять периодичность решетки от 1,30 до 9,3 мкм. В последнее время был продемонстрирован другой метод контроля периодичности решетки в реальном времени, при котором центральная полоса смещалась менее чем на 2,7 мкм, в то время как периодичность решетки изменялась от 0,96 до 11,2 мкм. Поддержание захвата атомов (или других частиц) при изменении периодичности решетки требует дальнейшей тщательной экспериментальной проверки. Такие "аккордеонные" решетки полезны для управления ультрахолодными атомами в оптических решетках, где небольшое расстояние необходимо для квантового туннелирования, а большое расстояние позволяет осуществлять манипуляции с отдельными участками и проводить пространственно-разрешенное детектирование. Детектирование занятости участков решетки как бозонами, так и фермионами в режиме интенсивного туннелирования регулярно выполняется в квантовых газовых микроскопах.

Принцип действия

Основная 1D оптическая решетка формируется интерференционной картиной двух встречно направленных лазерных лучей с одинаковой линейной поляризацией, как правило, в режиме сильного рассогласования. Механизм удержания основан на эффекте Старка, когда нерезонансный свет вызывает сдвиги во внутренней структуре атома. Эффект Старка создает потенциал, пропорциональный интенсивности света. Это тот же механизм удержания, что и в оптических дипольных ловушках (ODT), но основное отличие заключается в том, что интенсивность оптической решетки имеет гораздо более выраженную пространственную вариацию, чем в стандартной ODT. Также важна связь с моделью Обри-Андре. Изучение эволюции атомов под воздействием этих гамильтонианов позволяет получить информацию о решениях этих гамильтонианов. Это особенно актуально для сложных гамильтонианов, которые трудно решить аналитически или численно, например, для систем с сильным взаимодействием.

Оптические часы

Лучшие атомные часы в мире используют атомы, захваченные в оптических решетках, для получения узких спектральных линий, не подверженных влиянию эффекта Доплера и отдачи.

Квантовая информация

Они также являются перспективными кандидатами для квантовой обработки информации.

Атомная интерферометрия

Колеблющиеся оптические решетки – в которых модулируется фаза решетки, заставляя рисунок решетки перемещаться вперед и назад – могут использоваться для управления импульсом атомов, захваченных в решетке. Это управление используется для разделения атомов на группы с разными импульсами, их распространения для накопления разности фаз между группами и их рекомбинации для создания интерференционной картины.

Другие применения

Помимо улавливания холодных атомов, оптические решетки широко применяются для создания дифракционных решеток и фотонных кристаллов. Они также полезны для разделения микроскопических частиц и могут найти применение при создании клеточных массивов.