Leņķiskā momenta stāvokļa kvantu tomogrāfija optoelektronikas ierīču projektēšanai

Vadītājs: M. Auziņš

Mikropasaulē katrs atoms atrodas noteiktā kvantu stāvoklī. Taču atšķirībā no klasiskās fizikas mikropasaulē atomi un citas daļiņas var atrasties vairākos stāvokļos vienlaikus. Tādus stāvokļus sauc par superpozicionāliem stāvokļiem un parādību – par kvantu interferenci. Amerikāņu fiziķis Ričards Feinmans šo situāciju raksturo kā parādību, ko nav iespējams izskaidrot klasiskās fizikas ietvaros un kas ir kvantu fizikas būtība (which has in it the heart of quantum mechanics). Patiesībā šī parādība, raksta Ričards Feinmans, ir galvenais kvantu fizikas brīnums (mystery, 117. lpp.) [1].

Atomiem, kas ir sagatavoti noteiktos superpozicionālos stāvokļos, piemīt daudzas interesantas un klasiskā fizikā neiespējamas īpašības. Kvantu interference var gan pastiprināt, gan pavājināt atomu mjiedarbību ar gaismu. Šīs parādības sauc par elektromagnētiski inducētu absorbciju un elektromagnētiski inducētu caurspīdību [2]. Izmantojot kvantu interferences parādību, var veidot jauna tipa lāzerus – lāzerus bez apdzīvotības inversijas, var dramatiski palēnināt gaismas izplatīšanās ātrumu (līdz dažiem metriem sekundē !!!) vai to var pat apstādināt, „iesaldējot” atomos [3]. Kvantu stāvokļu koherenta superpozīcija ir pamatā kvantu datoru un kvantu kriptogrāfijas tehnikai. Uz to balstās visa kvantu informātika [4].

Lai veidotu kvantu superpozicionālus stāvokļus, ir zināmas dažādas metodes. Tās balstītas uz atomu mijiedarbību gan ar mikroviļņu vai radioviļņu impulsiem, gan ar mijiedarbību ar gaismas impulsiem vai pat veselu precīzi organizētu gaismas impulsu virkni [5].

Lai pārliecinātos par to, ka eksperimentā ir radīta vēlamā kvantu stāvokļu superpozīcija, jāprot noteikt superpozīcijā ietilpstošo stāvokļu amplitūdas un relatīvās fāzes. Metodes, kas ļauj to izdarīt, sauc par kvantu tomogrāfijas metodēm [6].

Vienlaikus ar minētajiem pielietojumiem kvantu superpozicionālos stāvokļus var izmantot optoelektronikas ierīcēs, lai efektīvi mainītu vielas optiskās īpašības un uz tā pamata veidotu optiskos filtrus, gaismas slēdžus, adaptīvās optikas elementus un ārējo lauku sensorus [7].

Arī šajos gadījumos ir būtiski precīzi noteikt, ka vēlamais kvantu superpozicionālais stāvoklis tik tiešām ir radīts. Tam kalpo šā projekta ietvaros izstrādājamās kvantu tomogrāfijas metodes atomiem ārējā elektriskajā un magnētiskajā laukā.

Projekts ir realizēts, sadarbojoties divām Latvijas Universitātes Lāzeru centrā strādājošām laboratorijām. Tā ir Atomu un molekulu fizikas laboratorija (vad. prof. M. Auziņš) un Molekulu optiskās polarizācijas laboratorija (vad. prof. R. Ferbers).

Projektā iesaistīto studentu, pētnieku un LU mācībspēku grupa

Projekta pirmajā etapā, balstoties uz mūsu agrāko pētījumu [8] pieredzi, ir izveidots modelis, kas ļauj paredzēt, kāda būs atomu leņķiskā momenta kvantu superpozicionāla stāvokļa dinamika elektriskajā un magnētiskajā laukā. Nākamajā attēlā ir redzams piemērs tam, kā, palielinot elektrisko lauku, mainās leņķiskā momenta kvantu stāvoklis.

Attēlā ir redzama atoma leņķiskā momenta telpiskā sadalījuma varbūtība. Animācijā var redzēt šīs izmaiņas dinamiku, pieaugot elektriskā lauka intensitātei.

Šā projekta ietvaros tika veikta simulācija, kas ļauj paredzēt leņķiskā momenta koherenta superpozīcijas stāvokļa veidošanos elektriskajā laukā, ierosinot cēzija (Cs) atomu vienlaikus ar diviem lāzeriem. Kvantu stāvoklis atkarībā no elektriskā lauka intensitātes ir redzams nākamajā attēlā.

Leņķiskā momenta kvantu stāvokļa izmaiņas atkarība no ārējā elektriskā lauka intensitātes Cs atomiem, kas tiek ierosināti ar divu lāzeru palīdzību

Vienlaikus tika izveidota eksperimentāla iekārta, kas ļauj mērīt šādus superpozicionālus stāvokļus gan elektriskajā, gan arī magnētiskajā laukā. Nākamajos attēlos ir redzama ampula ar Cs atomiem (atrodas sānu atzarā ampulas apakšā), kuras iekšpusē elektriskā lauka ievadīšanai ir izveidoti precīzi kalibrēti metāla elektrodi.

Ampula ar elektrodiem un Cs atomiem

Projekta ietvaros, izmantojot piešķirto finansējumu, tika izveidota otra eksperimentālā iekārta atomu kvantu superpozicionālo stāvokļu pētījumiem ārējā magnētiskajā laukā. Attēla apakšējā kreisajā malā ir redzama Helmholca spoļu sistēma, kas ļauj kontrolēt magnētisko lauku vienlaikus trijos perpendikulāros telpas virzienos ar precizitāti, kura nodrošina Zemes magnētiskā lauka ietekmes kompensāciju un kontrolējama laboratorijas magnētiskā lauka radīšanu.

Projekta ietvaros izveidotā iekārta kvantu superpozicionālo stāvokļu pētījumiem magnētiskajā laukā

Projekta realizācijas gaitā ir veikti pirmie mērījumi, kas ļāvuši realizēt tomogrāfisku restaurāciju elektriskajā laukā radītiem kvantu superpozicionāliem stāvokļiem Cs atomos. Iegūtie rezultāti ir iekļauti triju žurnāla rakstu materiālos. Viens no tiem jau ir publicēts [9] un divi ir pieņemti publicēšanai [10,11]. Attēlā ir redzama noteikta [9] kvantu stāvokļa superpozīcija, kas ir raksturīga ar to, ka atomu leņķiskie momenti elektriskā lauka klātbūtnē pārsvarā ir vērsti vienā virzienā. Šinī gadījumā tie ir orientēti y ass negatīvajā virzienā.

Cs atoma orientācija y ass negatīvajā virzienā ārējā elektriskā lauka klātbūtnē [9].

Šā pētījuma gaitā LU Lāzeru centrā pirmo reizi eksperimentāli pierādīta iespēja atomu leņķiskā momenta izkārtošanu, kuru var iedomāties kā bultu ar diviem galiem (↔), transformēt elektriskajā laukā leņķiskā momenta orientācijā. Orientāciju var iedomāties kā bultu ar vienu galu (→). Runa ir par to, ka lāzera starojuma radīta noteikta leņķiskā momenta sadalījuma telpiskā simetrija var tikt pārveidota ārējā elektriskajā laukā. Efekts ir netriviāls jo, piemēram, magnētiskais lauks šādu simetrijas transformāciju veikt nespēj.

[21] Marcis Auzinsh, Level Crossing Spectroscopy with Alkali Atoms. Laser and Quantum Optics Group seminar, Bar Ilan University, Department of Physics, Ramat-Gan, Israel, November 9, 2006