Transparencia inducida electromagnéticamente

La transparencia inducida electromagnéticamente ( EIT ) es una no linealidad óptica coherente que hace que un medio sea transparente dentro de un rango espectral estrecho alrededor de una línea de absorción . Dentro de esta "ventana" de transparencia también se crea una dispersión extrema que da lugar a la " luz lenta ", descrita más adelante. En esencia, se trata de un efecto de interferencia cuántica que permite la propagación de la luz a través de un medio atómico que, de otro modo, sería opaco. ^{[ 1 ]}

La observación de la transparencia inducida electromagnéticamente (EIT) implica dos campos ópticos (fuentes de luz altamente coherentes, como láseres ) sintonizados para interactuar con tres estados cuánticos de un material. El campo de "sonda" se sintoniza cerca de la resonancia entre dos de los estados y mide el espectro de absorción de la transición. Un campo de "acoplamiento" mucho más intenso se sintoniza cerca de la resonancia en una transición diferente. Si los estados se seleccionan adecuadamente, la presencia del campo de acoplamiento creará una "ventana" espectral de transparencia que será detectada por la sonda. El láser de acoplamiento a veces se denomina "control" o "bombeo", este último término por analogía con las no linealidades ópticas incoherentes, como la saturación o el quemado de agujeros espectrales .

La EIT se basa en la interferencia destructiva de la amplitud de probabilidad de transición entre estados atómicos. Los fenómenos de atrapamiento coherente de población (CPT) están estrechamente relacionados con la EIT.

La interferencia cuántica en EIT puede aprovecharse para enfriar partículas atómicas mediante láser, incluso hasta el estado fundamental cuántico del movimiento. ^{[ 2 ]} Esto se utilizó en 2015 para obtener imágenes directas de átomos individuales atrapados en una red óptica . ^{[ 3 ]}

Existen restricciones específicas en la configuración de los tres estados. Dos de las tres transiciones posibles entre los estados deben ser "permitidas por dipolo", es decir, las transiciones pueden ser inducidas por un campo eléctrico oscilante. La tercera transición debe ser "prohibida por dipolo". Uno de los tres estados está conectado a los otros dos mediante los dos campos ópticos. Los tres tipos de esquemas EIT se diferencian por las diferencias de energía entre este estado y los otros dos. Los esquemas son la escalera, la V y lambda. Cualquier sistema material real puede contener muchos tripletes de estados que teóricamente podrían soportar EIT, pero existen varias limitaciones prácticas sobre qué niveles pueden utilizarse realmente.

También son importantes las tasas de desfase de los estados individuales. En cualquier sistema real a temperatura distinta de cero, existen procesos que provocan una alteración de la fase de los estados cuánticos. En la fase gaseosa, esto suele significar colisiones. En los sólidos, el desfase se debe a la interacción de los estados electrónicos con la red anfitriona. El desfase del estado${\displaystyle |3\rangle }$es especialmente importante; idealmente${\displaystyle |3\rangle }$Debe ser un estado robusto y metaestable.

Actualmente, la investigación sobre EIT utiliza sistemas atómicos en gases diluidos, soluciones sólidas o estados más exóticos como el condensado de Bose-Einstein . Se ha demostrado la EIT en sistemas electromecánicos ^{[ 4 ]} y optomecánicos ^{[ 5 ]} , donde se conoce como transparencia inducida optomecánicamente . También se está trabajando en nanoestructuras semiconductoras como pozos cuánticos ^{[ 6 ]} , nanocables cuánticos y puntos cuánticos ^{[ 7 ] [ 8 ]} .

La EIT fue propuesta teóricamente por primera vez por el profesor Jakob Khanin y la estudiante de posgrado Olga Kocharovskaya en la Universidad Estatal de Gorki (renombrada Nizhny Novgorod en 1990), Rusia; ^{[ 9 ]} ahora existen varios enfoques diferentes para un tratamiento teórico de la EIT. Un enfoque es extender el tratamiento de la matriz de densidad utilizado para impulsar la oscilación de Rabi de un sistema de dos estados y un solo campo. En esta imagen, la amplitud de probabilidad para que el sistema transfiera entre estados puede interferir destructivamente , impidiendo la absorción. En este contexto, "interferencia" se refiere a la interferencia entre eventos cuánticos (transiciones) y no a la interferencia óptica de ningún tipo. Como ejemplo específico, considérese el esquema lambda mostrado arriba. La absorción de la sonda se define por la transición de${\displaystyle |1\rangle }$a${\displaystyle |2\rangle }$Los campos pueden impulsar la población desde${\displaystyle |1\rangle }$-${\displaystyle |2\rangle }$directamente o desde${\displaystyle |1\rangle }$-${\displaystyle |2\rangle }$-${\displaystyle |3\rangle }$-${\displaystyle |2\rangle }$. Las amplitudes de probabilidad para las diferentes trayectorias interfieren destructivamente. Si${\displaystyle |3\rangle }$tiene una vida útil relativamente larga, entonces el resultado será una ventana transparente completamente dentro de la${\displaystyle |1\rangle }$-${\displaystyle |2\rangle }$línea de absorción.

Otro enfoque es el modelo de " estado vestido ", en el que el hamiltoniano del sistema más el campo de acoplamiento se diagonaliza y el efecto sobre la sonda se calcula en la nueva base. En este modelo, la EIT se asemeja a una combinación de desdoblamiento de Autler-Townes e interferencia de Fano entre los estados vestidos. Entre los picos dobletes, en el centro de la ventana de transparencia, las amplitudes de probabilidad cuántica para que la sonda provoque una transición a cualquiera de los estados se cancelan.

La representación de polaritones es particularmente importante para describir los esquemas de luz detenida. En este caso, los fotones de la sonda se transforman coherentemente en polaritones de estado oscuro, que son excitaciones del medio. Estas excitaciones existen (o pueden almacenarse) durante un tiempo que depende únicamente de las tasas de desfase.

EIT es solo uno de los muchos mecanismos diversos que pueden producir luz lenta . Las relaciones de Kramers-Kronig dictan que un cambio en la absorción (o ganancia) en un rango espectral estrecho debe ir acompañado de un cambio en el índice de refracción en una región igualmente estrecha. Este cambio rápido y positivo en el índice de refracción produce una velocidad de grupo extremadamente baja . ^{[ 10 ]} La primera observación experimental de la baja velocidad de grupo producida por EIT fue realizada por Boller, İmamoğlu y Harris en la Universidad de Stanford en 1991 en estroncio . En 1999, Lene Hau informó sobre la ralentización de la luz en un medio de átomos de sodio ultrafríos , ^{[ 11 ]} logrando esto mediante el uso de efectos de interferencia cuántica responsables de la transparencia inducida electromagnéticamente (EIT). ^{[ 12 ]} Su grupo realizó una abundante investigación sobre EIT con Stephen E. Harris . "Utilizando simulaciones numéricas detalladas y teoría analítica, estudiamos las propiedades de microcavidades que incorporan materiales que exhiben transparencia inducida electromagnéticamente (EIT) o luz ultralenta (USL). Descubrimos que tales sistemas, si bien son de tamaño miniatura (del orden de la longitud de onda) e integrables, pueden tener algunas propiedades excepcionales. En particular, podrían tener vidas útiles órdenes de magnitud más largas que otros sistemas existentes y podrían exhibir conmutación totalmente óptica no lineal a niveles de potencia de un solo fotón. Las aplicaciones potenciales incluyen relojes atómicos en miniatura y procesamiento de información cuántica totalmente óptico." ^{[ 13 ]} El récord actual de luz lenta en un medio EIT lo ostentan Budker, Kimball, Rochester y Yashchuk en UC Berkeley en 1999.  Se midieron velocidades de grupo tan bajas como 8 m/s en un vapor de rubidio térmico caliente . ^{[ 14 ]}

La luz detenida , en el contexto de un medio EIT, se refiere a la transferencia coherente de fotones al sistema cuántico y viceversa. En principio, esto implica apagar el haz de acoplamiento de forma adiabática mientras el pulso de sonda aún se encuentra dentro del medio EIT. Existe evidencia experimental de pulsos atrapados en un medio EIT. Los autores crearon un pulso de luz estacionario dentro de medios coherentes atómicos. ^{[ 15 ]} En 2009, investigadores de la Universidad de Harvard y del MIT demostraron un interruptor óptico de pocos fotones para óptica cuántica basado en las ideas de luz lenta. ^{[ 16 ]} Lene Hau y un equipo de la Universidad de Harvard fueron los primeros en demostrar la luz detenida. ^{[ 17 ]}

La EIT se ha utilizado para enfriar mediante láser largas cadenas de átomos hasta su estado fundamental de movimiento en una trampa de iones . ^{[ 18 ]} Para ilustrar la técnica de enfriamiento, consideremos un átomo de tres niveles como se muestra con un estado fundamental.${\displaystyle |g\rangle }$un estado excitado${\displaystyle |e\rangle }$y un estado estable o metaestable${\displaystyle |m\rangle }$que se encuentra entre ellos. El estado excitado${\displaystyle |e\rangle }$está acoplado dipolarmente a${\displaystyle |m\rangle }$y${\displaystyle |g\rangle }$. Un láser de "acoplamiento" intenso impulsa el${\displaystyle |m\rangle \rightarrow |e\rangle }$transición en la desafinación${\displaystyle \Delta _{m}}$por encima de la resonancia. Debido a la interferencia cuántica de las amplitudes de transición, un láser de "enfriamiento" más débil impulsa el${\displaystyle |g\rangle \rightarrow |e\rangle }$transición en la desafinación${\displaystyle \Delta _{g}}$Por encima de la resonancia se observa una característica similar a la de Fano en el perfil de absorción. El enfriamiento EIT se realiza cuando${\displaystyle \Delta _{g}=\Delta _{m}}$, de tal manera que la transición del portador${\displaystyle |g,n\rangle \rightarrow |e,n\rangle }$reside en la oscura resonancia de la característica tipo Fano , donde${\displaystyle n}$Se utiliza para etiquetar el estado de movimiento cuantizado del átomo. La frecuencia de Rabi${\displaystyle \Omega _{m}}$del láser de acoplamiento se elige de tal manera que${\displaystyle |g,n\rangle \rightarrow |e,n-1\rangle }$La banda lateral "roja" se encuentra en el máximo estrecho de la característica tipo Fano . Por el contrario,${\displaystyle |g,n\rangle \rightarrow |e,n+1\rangle }$La banda lateral "azul" se encuentra en una región de baja probabilidad de excitación, como se muestra en la figura siguiente. Debido a la gran relación de las probabilidades de excitación, el límite de enfriamiento se reduce en comparación con el enfriamiento Doppler o de banda lateral (suponiendo la misma tasa de enfriamiento). ^{[ 19 ]}

• Coherencia atómica
• Rejilla inducida electromagnéticamente