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La longitud de onda mágica (también conocida como una magnitud relacionada, frecuencia mágica ) es la longitud de onda de una red óptica donde las polarizabilidades de dos estados del reloj atómico tienen el mismo valor, de modo que el desplazamiento Stark de CA causado por la fluctuación de la intensidad del láser no tiene efecto sobre la frecuencia de transición entre los dos estados del reloj. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
Desplazamiento Stark de CA por red óptica
El campo láser en una red óptica induce un momento dipolar eléctrico en los átomos, ejerciendo fuerzas sobre ellos y, por lo tanto, confinándolos. Sin embargo, la diferencia en las polarizabilidades de los estados atómicos produce un desplazamiento Stark de CA en la frecuencia de transición entre los dos estados, un desplazamiento que depende de la intensidad óptica del láser en la ubicación particular del átomo en la red. [ 1 ] En el caso de mediciones precisas de la frecuencia de transición, como en los relojes atómicos, las fluctuaciones temporales de la intensidad óptica del láser deteriorarían la precisión del reloj. Además, debido a la variación espacial de la intensidad del láser en la red, el movimiento del átomo dentro de la red también se acoplaría a la incertidumbre de la frecuencia de transición interna del átomo.
La polarizabilidad depende de la longitud de onda.
A pesar de tener formas funcionales diferentes, las polarizabilidades de dos estados atómicos dependen de la longitud de onda del campo láser. En algunos casos, es posible encontrar una longitud de onda específica en la que ambos estados atómicos presentan exactamente la misma polarizabilidad. Esta longitud de onda, donde el desplazamiento Stark de CA se anula para la frecuencia de transición, se denomina longitud de onda mágica, y la frecuencia que corresponde a ella se denomina frecuencia mágica. Esta idea fue introducida por primera vez en los cálculos de Hidetoshi Katori en 2003 [ 1 ] y posteriormente demostrada experimentalmente por su grupo ese mismo año [ 3 ].
Aplicación de la longitud de onda mágica
La idea de una longitud de onda mágica es significativa en diversas áreas de la física, especialmente donde el control exacto de átomos, moléculas o partículas es esencial.
Reloj de red óptica
El confinamiento estricto de átomos neutros, como el iterbio y el estroncio, les permite permanecer localizados sin decoherencia durante períodos más prolongados, anulando así los efectos Doppler y de retroceso. Esto los convierte en buenos candidatos para relojes de red óptica , siempre que los cambios de frecuencia se controlen adecuadamente. A una longitud de onda mágica operativa, los cambios de frecuencia se vuelven insensibles a las variaciones en la profundidad de la trampa, evitando la degradación de la precisión del reloj. [ 4 ]
Medición de precisión
Las transiciones atómicas cercanas a las frecuencias mágicas prolongan el tiempo de interacción sin ensanchar las transiciones, además de aumentar su sensibilidad. Esto, a su vez, reduce el arrastre de líneas y los desplazamientos sistemáticos en las pruebas de física fundamental, lo que ayuda en la búsqueda de variaciones de constantes fundamentales sin ninguna influencia de factores externos como la modulación de la profundidad de la trampa. [ 5 ] La transición cerca de una longitud de onda mágica permite que el reloj funcione con una precisión mejor que el nivel de incertidumbre de 10 −18 .
Pinzas ópticas
Para aplicar fuerzas ópticas precisas y localizadas que atrapen firmemente átomos (o partículas) individuales en el espacio libre, se pueden utilizar instrumentos con haces láser altamente focalizados, denominados pinzas ópticas . En la longitud de onda óptima, la frecuencia de transición interna se vuelve independiente de la profundidad de la trampa, cancelando los desplazamientos diferenciales de la luz y permitiendo el control coherente y las operaciones cuánticas sobre los átomos atrapados, fundamentales para la computación cuántica, la simulación cuántica y los relojes atómicos.
Técnica de enfriamiento y atrapamiento óptico
Cuando las trampas de dipolo óptico (ODT) o redes ópticas de resonancia lejana utilizan haces láser intensos para atrapar átomos en pozos de potencial inducidos por la luz, el efecto Stark de CA desplaza los niveles de energía atómica, lo que desplaza de forma desigual los estados fundamental y excitado por la luz de la trampa. [ 6 ] El enfriamiento láser en la transición de intercombinación estrecha débilmente permitida entre estados singlete y triplete con una larga vida útil del estado excitado y una alta estabilidad de frecuencia podría lograr mejores resultados para los átomos en una trampa de dipolo óptico cuando la longitud de onda de la trampa se ajusta cerca de la longitud de onda mágica. [ 7 ]
Referencias
- 1 2 3 Katori, Hidetoshi; Takamoto, Masao; Pal'chikov, VG; Ovsiannikov, VD (2003-10-24). "Reloj óptico ultraestable con átomos neutros en una trampa de desplazamiento de luz diseñada". Physical Review Letters . 91 (17) 173005. arXiv : physics/0309043 . Bibcode : 2003PhRvL..91q3005K . doi : 10.1103/physrevlett.91.173005 . ISSN 0031-9007 . PMID 14611343 . S2CID 32242287 .
- ↑ Ye, Jun; Kimble, HJ; Katori, Hidetoshi (2008-06-27). "Ingeniería de estado cuántico y metrología de precisión mediante trampas de luz insensibles al estado". Science . 320 (5884): 1734– 1738. arXiv : 0804.0254 . Bibcode : 2008Sci...320.1734Y . doi : 10.1126/science.1148259 . ISSN 0036-8075 . PMID 18583603 . S2CID 27388210 .
- 1 2 Takamoto, Masao; Katori, Hidetoshi (2003-11-28). "Espectroscopia de la transición de reloj 1 S 0 – 3 P 0 de 87 Sr en una red óptica". Physical Review Letters . 91 (22) 223001. arXiv : physics/0309044 . Bibcode : 2003PhRvL..91v3001T . doi : 10.1103/PhysRevLett.91.223001 . ISSN 0031-9007 . PMID 14683233 .
- ↑ Brown, RC; Phillips, NB; Beloy, K.; McGrew, WF; Schioppo, M.; Fasano, RJ; Milani, G.; Zhang, X.; Hinkley, N.; Leopardi, H.; Yoon, TH; Nicolodi, D.; Fortier, TM; Ludlow, AD (diciembre de 2017). "Hiperpolarizabilidad y longitud de onda mágica operacional en un reloj de red óptica" . Physical Review Letters . 119 (25) 253001. American Physical Society. arXiv : 1708.08829 . Bibcode : 2017PhRvL.119y3001B . doi : 10.1103/PhysRevLett.119.253001 . PMID 29303326 .
- ↑ Liu, Pei-Liang; Huang, Yao; Bian, Wu; Shao, Hu; Guan, Hua; Tang, Yong-Bo; Li, Cheng-Bin; Mitroy, J.; Gao, Ke-Lin (junio de 2015). "Medición de longitudes de onda mágicas para la transición del reloj 40 Ca + " . Physical Review Letters . 114 (22) 223001. American Physical Society. arXiv : 1409.2576 . doi : 10.1103/PhysRevLett.114.223001 . PMID 26196619 .
- ↑ Adhikari, CM; Kawasaki, A.; Jentschura, UD (septiembre de 2016). "Longitud de onda mágica para la transición 1S - 2S del hidrógeno : Contribución del continuo y la corrección de masa reducida" . Physical Review A. 94 ( 3) 032510. American Physical Society. arXiv : 1610.03572 . doi : 10.1103/PhysRevA.94.032510 .
- ↑ Zheng, TA; Yang, YA; Safronova, MS; Safronova, UI; Xiong, Zhuan-Xian; Xia, T.; Lu, Z.-T. (diciembre de 2020). "Longitudes de onda mágicas de la transición de intercombinación Yb ( 6 s 2 1 S 0 - 6 s 6 p 3 P 1 )" . Physical Review A. 102 ( 6) 062805. American Physical Society. arXiv : 2011.06759 . doi : 10.1103/PhysRevA.102.062805 .
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