Pamatstāvokļa leņķiskā momenta izkārtošanas pāreja orientācijā lāzera starojuma un ārēja magnētiskā lauka ietekmē sārmu metālu atomārā gāzes vidē eksperimentāli un teorētiski signāli

Projekta nosaukums: Pamatstāvokļa leņķiskā momenta izkārtošanas pāreja orientācijā lāzera starojuma un ārēja magnētiskā lauka ietekmē sārmu metālu atomārā gāzes vidē eksperimentāli un teorētiski signāli

Projekta līguma numurs: 1.1.1.2/VIAA/1/16/117

Projekta sadarbības partneri (ja ir):-Institute for Physical Research of National Academy of Sciences of Armenia-Prof. Dr. Dmitry Budker Group - Helmholtz Institute Mainz, Johannes Gutenberg University Mainz, Germany

Projekta īstenošanas termiņš: 01.11.2017. - 31.10.2020.

Projekta kopējais finansējums, LU daļa: 133806.00 EUR, LU daļa 6690.30 EUR

Projekta mērķis: Pētniecības projekta mērķis ir pētīt leņķiskā momenta izkārtošanas pāreja orientācijā (IPO) lāzera starojuma un ārēja magnētiskā lauka ietekmē sārmu metālu atomu pamatstāvoklī.Atomu gāze, kas spēj mainīt savas īpašības, gaismas un ārēja magnētiskā lauka ietekmē var tikt uzskatīts par materiālu, kas reaģē uz ārējām perturbācijām, tāpēc tas ir vieds materiāls. Šādi to var izmantot dažādos ekonomikas sektoros, piemēram, medicīnā, ģeoloģijā, IKT tai skaitā kvantu skaitļošanā, informācijas glabāšanā, kvantu kriptogrāfijā un citos.Atomu mijiedarbība ar lāzera starojumu ir viena no pamata sastāvdaļām daudzu kvantu tehnoloģiju pielietojumos tai skaitā opto-elektriskās ierīcēs, piemēram, lauku sensori, šaurjoslas optiskie filtri un optiskie slēdži.  Šo ierīču radīšanā un attīstīšanā ir nepieciešamas ļoti smalki izpētītas dažādu kvantu koherenču efektu atkarības no daudziem dažādiem faktoriem. Šinī pētījumā tiks pētīta IPO atoma pamatstāvoklī, kā arī citi saistīti kvantu koherenču efekti, un dažādu faktoru ietekme uz novērojamajiem signāliem, piemēram ierosmes un novērošanas ģeometrijas neprecizitātes, lāzera starojuma jauda un frekvence u.c.Šī pētījuma rezultāti varētu interesēt pētniekus, kuru pētījumi ir saistīti ar elektrona permanentā elektriskā dipola momenta (EDM) meklējumiem. Par šiem fundamentālās fizikas pētījumiem ir liela interese, jo fundamentālas daļiņas permanentais EDM nozīmē lādiņa paritātes pārkāpšanu (CP violation ), kamēr vien pieņēmums par lādiņa paritātes un laika-simetrijas teorēmu (CPT theorem) ir patiess. Vairākas sarežģītas eksperimentālas tehnikas novērš EDM radīta leņķiskā momenta precesijas signālā kropļojumus, kas radušies citu mehānismu, ne EDM dēļ. Viens no šādiem nevēlamiem fenomeniem varētu būt IPO, kurš kombinēta elektriskā un magnētiskā lauku ietekmē vai sadursmju rezultātā deformē atomāro un molekulāro leņķiskā momenta sadalījumu.

Projekta rezultāti: 1. Teorētiskā modeļa adaptācija lāzera inducētās fluorescences (LIF) signālu simulācijai2. LIF signālu simulācija Rb un K; Labāko eksperimentālo parametru piemeklēšana atomu pamatstāvokļa IPO signālu novērošanai3. Eksperimentu veikšana - LIF signālu reģistrēšana un IPO novērošana Rb atomos.4. Eksperimentu veikšana - LIF signālu reģistrēšana un IPO novērošana K atomos.
Plānotais publikāciju apjoms: 2 zinātniskās publikācijas

Laika periodā 1.11.2017. - 30.01.2018. paveiktais:

Teorētiskā modeļa adaptācija lāzera inducētās fluorescences (LIF) signālu simulācijai:

• Veikta teorētiskā modeļa programmas papildināšana, tajā iekļaujot Rb un K atomu parametrus D1 pārejai.
• Veikta teorētisko signālu datorprogrammas testēšana pie magnētiskā un ierosinošā elektriskā lauka perpendikulāras eksperimenta ģeometrijas 85Rb izotopam un lineāro fluorescences komponenšu aprēķins pie dažādām supersīkstruktūras pārejām, katrai pie vairākām ierosinošā lāzera starojuma Rabi frekvencēm.

LIF signālu simulācija Rb un K; Labāko eksperimentālo parametru piemeklēšana atomu pamatstāvokļa IPO signālu novērošanai:

Veikta teorētisko signālu datorprogrammas testēšana pie magnētiskā un ierosinošā elektriskā lauka 45º savstarpējā novietojuma 85Rb izotopam un cirkulāro fluorescences komponenšu aprēķins pie dažādām supersīkstruktūras pārejām, katrai pie vairākām ierosinošā lāzera starojuma Rabi frekvencēm.

Attēlā redzami piemēri LIF signālu teorētiskajām līknēm vienas supersīkstruktūras pārejai ar dažādām Rabi frekvencēm. Sagaidāmā cirkularitāte šai pārejai ir apmēram 1%.

• Veikta teorētisko signālu datorprogrammas testēšana pie magnētiskā un ierosinošā elektriskā lauka 45º savstarpējā novietojuma 39K izotopiem un cirkulāro fluorescences komponenšu aprēķins pie dažādām supersīkstruktūras pārejām, katrai pie vairākām ierosinošā lāzera starojuma Rabi frekvencēm.

Rezultāti: Funkcionējošs teorētiskais modeļa programma LIF signālu aprēķiniem Rb un K atomiem. Turpmāko eksperimentu rezultātā programma iespējams tiks uzlabota.

LIF signālu simulācija Rb un K; Labāko eksperimentālo parametru piemeklēšana atomu pamatstāvokļa IPO signālu novērošanai:

• Eksperimentālās iekārtas izveidošana testēšanai pie mazām magnētiskā lauka vērtībām.
• Lāzera starojuma frekvences iejustēšana un piesātinājuma absorbcijas iekārtas izveide lāzera frekvences stabilizācijai.
• Lāzera stara optiskā ceļa izveide un ierosmes un novērošanas ģeometrijas izveide.
• Novērošanas optikas justēšana.

Rezultāti: Izveidota lāzera frekvences stabilizācijas sistēma; Izveidots funkcionējošs eksperiments testa signālu uzņemšanai.

LIF signālu simulācija Rb un K; Labāko eksperimentālo parametru piemeklēšana atomu pamatstāvokļa IPO signālu novērošanai:

• Eksperimentālās iekārtas testēšana pie mazām magnētiskā lauka vērtībām (līdz 1000G).

Eksperimenta testa rezultātu apkopošana un analīze.

Attēlā redzami divi mērījumi vienai eksperimentālā LIF signāla cirkulārai komponentei.

• Elektromagnēta kalibrācija lielākām magnētiskā lauka vērtībām (līdz 2000G).
• Šūnas optisko lodziņu attīrīšana no rubīdija tvaiku kondensāta.

Rezultāti: Apkopoti un analizēti testa eksperimenta rezultāti; Darbs pie testa eksperimenta rezultātā konstatētajām nepilnībām, piemēram, magnētiskā lauka kalibrācijas.

Laika periodā 1.02.2018. - 30.04.2018. paveiktais:

Teorētiskā modeļa adaptācija lāzera inducētās fluorescences (LIF) signālu simulācijai:

• Daļēji veikta teorētisko signālu datorprogrammas modifikācija tās darbināšanai arī Microsoft Windows vidē, lai panāktu efektīvu pieejamo datorresursu lietojumu un saīsinātu aprēķiniem nepieciešamo laiku ar paralēlu procesu palaišanu.

LIF signālu simulācija Rb un K; Labāko eksperimentālo parametru piemeklēšana atomu pamatstāvokļa IPO signālu novērošanai:

Veikta teorētisko signālu datorprogrammas testēšana pie magnētiskā un ierosinošā elektriskā lauka 45º savstarpējā novietojuma 85Rb izotopam un cirkulāro fluorescences komponenšu aprēķins pie supersīkstruktūras pārejas Fg=2→Fe=3, pie vairākām ierosinošā starojuma lāzera līnijas platumiem, katram pie vairākām ierosinošā lāzera starojuma Rabi frekvencēm.

Attēlā redzami piemēri LIF signālu teorētiskajām līknēm 85Rb Fg=2→Fe=3 supersīkstruktūras pārejai ar dažādām Rabi frekvencēm pie vairākām ierosinošā starojuma lāzera līnijas platumiem. Attēlā redzams ne tikai, ka Rabi frekvence ietekmē signālu formu, bet arī lāzera līnijas platums, turklāt pie lielākām Rabi frekvences vērtībām lāzera līnijas platums signālu formu ietekmē vairāk.

LIF signālu simulācija Rb un K; Labāko eksperimentālo parametru piemeklēšana atomu pamatstāvokļa IPO signālu novērošanai:

• Magnētiskā lauka (B) kalibrācija atkarībā no spoļu polu savstarpējā attāluma (d) pie fiksētās strāvas maksimālās vērtības Imax = 7.9 A un pie fiksētas strāvas maiņas frekvences f = 2 mHz.

Attēlā redzami eksperimentālie datu punkti magnētiskā lauka maksimālajai vērtībai atkarībā no savstarpējā spoļu attāluma. Pašlaik, kā optimāls spoļu attālums tika izvēlēts 5.5 cm, kas ļauj sasniegt magnētiskā lauka vērtību aptuveni 1800 gausus.

Magnētiskā lauka (B) kalibrācija atkarībā no strāvas maiņas frekvences (f) spolēs pie fiksētās strāvas maksimālās vērtības Imax = 7.0 A un pie fiksēta spoļu polu savstarpējā attāluma d = 5.5 cm.

Attēlā redzamas eksperimentālās līknes magnētiskā lauka atkarībai no strāvas maiņas frekvences spolēs. Var novērot histerēzes palielināšanos pie lielākām strāvas maiņas frekvencēm. Par optimālu tika izvēlēta 50 mHz frekvence, kamēr notiek sistēmas iestādīšana, jo tas ievērojami saīsina datu uzņemšanas laiku, bet eksperimentālo mērījumu laikā tiks izmantota 2 mHz frekvence, lai samazinātu histerēzi.

Eksperimentu veikšana - LIF signālu reģistrēšana un IPO novērošana Rb atomos:

• Rubīdija tvaiku šūnas sagatavošana eksperimentālajiem fluorescences novērojumiem – rubīdija tvaiku kondensāta novēršana no šūnas iekšējām sieniņām; šūnas ārējās virsmas tīrīšana, šūnas turētāja sagatavošana tā ievietošanai starp spoļu poliem.
• Lāzera starojuma frekvences justēšana.
• Lāzera stara optiskā ceļa daļēja izveide; lāzera stara virzītājspoguļa nostiprināšana pie viena no spoļu poliem nepieciešamās savstarpējās lāzera starojuma elektriskā lauka un ārējā magnētiskā lauka 45º ierosmes nodrošināšanai; pārējo lāzera stara virzītājspoguļu un gala lineārā polarizatora izvietojuma un nostiprināšanas plānošana.

Laika periodā 1.05.2018. - 31.07.2018. paveiktais:

Eksperimentu veikšana - LIF signālu reģistrēšana un IPO novērošana Rb atomos:

• Lāzera stara optiskā ceļa daļēja izveide; pārējo lāzera stara virzītājspoguļu un gala lineārā polarizatora izvietošana un nostiprināšana;
• Optisko komponenšu uzstādīšana lāzera stara ceļā; lāzera stara simetriskas profila ģeometrijas izveide; 
• Lāzera jaudas mērītāja kalibrācija; lāzera jaudas mērītāja uzstādīšana lāzera stara optiskajā ceļā;
• Jauna novērojamā starojuma optiskā ceļa plānošana un izveidošana; stiprinājumu un optisko komponenšu uzstādīšana un regulēšana;

Teorētiskā modeļa adaptācija lāzera inducētās fluorescences (LIF) signālu simulācijai:

• Tika gatavots stenda referāta prezentācijas materiāls ar nosaukumu „Angular momentum spacial symmetry transformation in rubidium ground-state”, kurā tiks prezentēti līdz šim brīdim iegūtie projekta rezultāti. Stenda referāts tiks prezentēts International Conference on Atomic Physics 2018 starptautiskajā zinātniskajā konferencē.

LIF signālu simulācija Rb un K; Labāko eksperimentālo parametru piemeklēšana atomu pamatstāvokļa IPO signālu novērošanai:

• Tika gatavots stenda referāta prezentācijas materiāls ar nosaukumu „Angular momentum alignment-to-orientation conversion in 85Rb ground-state”, kurā tiks prezentēti līdz šim brīdim iegūtie projekta rezultāti. Stenda referāts tiks prezentēts EGAS 50th starptautiskajā zinātniskajā konferencē.

Eksperimentu veikšana - LIF signālu reģistrēšana un IPO novērošana Rb atomos:

• Lāzera starojuma frekvences iejustēšana un piesātinājuma absorbcijas signāla regulācija lāzera frekvences stabilizācijai. 

Teorētiskā modeļa adaptācija lāzera inducētās fluorescences (LIF) signālu simulācijai:

• Apmeklēta konference "50th EGAS Conference", kurā prezentēts stenda referāts „Angular momentum alignment-to-orientation conversion in 85Rb ground-state”, kurā prezentēti šinī projektā iegūtie rezultāti. Kā arī apmeklētas visas konferences plenārās lekcijas un zinātniskās laboratorijas Jagaiļa Universitātē, Krakovā, Polijā.

LIF signālu simulācija Rb un K; Labāko eksperimentālo parametru piemeklēšana atomu pamatstāvokļa IPO signālu novērošanai:

• Apmeklēta konference "International Conference on Atomic Physics 2018", kurā prezentēts stenda referāts „Angular momentum spacial symmetry transformation in rubidium ground-state”, kurā prezentēti šinī projektā iegūtie rezultāti. Kā arī apmeklētas visas ICAP 2018 konferences plenārās lekcijas Barselonā, Spānijā.

Eksperimentu veikšana - LIF signālu reģistrēšana un IPO novērošana Rb atomos:

Novērojamā starojuma optiskā ceļa veidošana; regulējama fokusa optiskā tubusa izveide.

Laika periodā no 01.08.2020. - 31.10.2020. paveiktais:

Eksperimentu veikšana - LIF signālu reģistrēšana un IPO novērošana K atomos:

• Eksperimentu veikšana – ierosinot Cs D₁ F_g= 4→F_e=3 supersīkstruktūras pāreju ar lāzera jaudu 300, 200, 100, 50, 10, 5 mW un skenējot magnētisko lauku līdz aptuveni 3000 gausiem tika novērots divu pretēji cirkulāri polarizēto transmisijas komponenšu signāli zondējoša stara frekvenci stabilizējot uz Cs D₂ F_g= 4→F_e=(3;5). Katru jaudas mērījumu atkārtojot no 8 līdz 10 reizēm katrai cirkulārajai komponentei.
• Eksperimentālie dati tika vidējoti un savietoti ar teorētiskajiem datiem – tika meklētas atbilstošās Rabi frekvences.

­

Attēlā redzami atsevišķu cirkulāri polarizēto gaismas komponenšu transmisijas signāli: Kad pumpējošais lāzers ir izslēgts: melnie punkti (eksperimentālie dati) un sarkanā līkne (teorijas dati); Kad pumpējošais lāzers ir ieslēgts: zilie punkti (eksperimentālie dati) un zaļā līkne (teorijas dati).

• Ir sagatavots publikācijas melnraksts, kurā ir iekļauti projekta Nr. 1.1.1.2/VIAA/1/16/117 ceturtajā aktivitātē iegūtie rezultāti.