Atomok kvantumállapotának koherens manipulációja egymást részben átfedő lézerimpulzusokkal
Title in English
Coherent manipulation of atoms using partially overlapping laser pulses
Keywords in Hungarian
atom optika, adiabatikus folyamatok, fény által indukált erők
Keywords in English
atom optics, adiabatic processes, light-forces
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)
100 %
Panel
Physics 1
Department or equivalent
High Energy Physics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Starting date
2007-07-01
Closing date
2011-06-30
Funding (in million HUF)
1.724
FTE (full time equivalent)
2.99
state
closed project
Summary in Hungarian
A tervezett kutatás egymást részben átfedő, egymással szembenhaladó lézerimpulzusok, atomok mozgásállapotára gyakorolt hatását vizsgálná. Először is olyan új eljárások keresése a cél, amelyek segítségével egy lambda nívósémájú atom egyetlen kölcsönhatási ciklus alatt (egyetlen impulzuspár segítségével) sok fotonimpulzusnyit gyorsítható, anélkül, hogy az atom eközben lényegesen gerjesztődne. A következő lépésben az új, illetve a már ismert (kétnívós atomok esetén alkalmazható, egymást részben átfedő lézerimpulzusokat használó) manipulációs eljárások érzékenységét vizsgálnánk meg, a spontán emisszió zavaró hatásaira. Ezután olyan paramétertartományok feltérképezése a cél, melyek lehetővé teszik ezen manipulációs eljárások megvalósítását a Plazmafizikai főosztály lézerlaboratóriumában. Végezetül pedig megvizsgálnánk, hogy miképpen alkalmazhatóak ezen eljárások atom-lézerek konstruálására. Itt az volna a cél, hogy egy hideg atomfelhőből vagy esetleg egy Bose-Einstein kondenzátumból kiemeljünk atomokat, és azokat egységesen, koherensen minnél nagyobb sebességre gyorsítsuk.
Summary
The planned research aims to investigate the possibilities of manipulating the mechanical state of atoms using pairs of counterpropagating, partially overlapping laser pulses. The first aim is to find new methods to transfer several photon momenta to an atom with a lambda level scheme, using a single pair of partially overlapping laser pulses, without exciting the atom considerably. Next, the effect of spontaneous emission on manipulation schemes using such pulse pairs are to be examined, identifying those which are most resistant to the adverse effects. The following task is to identify parameter ranges where these effects can be realized in the laser laboratory of the plasma physics department. Finally, the prospects of using these manipulation schemes for atom-laser applications are to be examined. The aim here is to extract atoms from some source, (such as a cloud of cold atoms or a Bose-Einstein condensate) and accelarate them uniformly and coherently.
Final report
Results in Hungarian
A munkám során elsőször egymást részben átfedő lézerimpulzusok és atomok kölcsönhatását vizsgáltam, atomok gyorsítása illetve belső állapotuk manipulálásának céljából. Megmutattam, hogy az átfedő impulzuspárt használó eljárások akkor is hatékonyan alkalmazhatóak, ha a kölcsönhatás a gerjeszettt állapot spontán élettartamánál sokkal hosszabb ideig tart. Azt is megmutattam, hogy ezek az eljárások akkor is hatékonyan alkalmazhatóak, amikor az atomok energiaszintjeinek teljes rendszerét figyelembe vesszük, azaz egymáshoz közel eső és mágnesesen degenerált hiperfinom nívókkal kell számolni, ráadásul olyan esetekben is, amikor az atomok kezdeti állapota ezen degenerált mágneses állapotok véletlenszerű keveréke. Továbbá olyan, csupán két lézerimpulzussal működő eljárást is kidolgoztam, amely lehetővé teszi a belső mágneses állapotok összefonódását diszkrét mozgásállapotokkal. A munkám második részében pedig olyan, kristályokban elhelyezkedő ritka-földfém szennyezőionok kölcsönhatását vizsgáltam egy impulzuspárral, amelyeknél az elektronállapot gerjesztése az ionok rezgőmozgását is eredményezi. Vizsgáltam továbbá az impulzusok ilyen szennyezőionok közegében történő terjedésével összefüggő nemlineáris jelenségeket.
Results in English
During the course of the project I first investigated the interaction of partially overlapping laser pulses with atoms for the acceleration of an atomic ensemble, or the manipulation of their internal state. I have shown how such manipulation schemes work even if the interaction persists for much longer than the spontaneous lifetime of the atoms. I have also shown that these schemes are very useful when manipulating atoms with complex level structures, i.e. several close lying hyperfine states with rotationally degenerate substates, and the initial state of the atoms is some random mixture of such rotational state sublevels. Furthermore, it is possible to conceive schemes using just two overlapping laser pulses which allow the entanglement of the rotational substates with discrete center-of-mass momentum states. During the second phase of the project I investigated the interaction of a pair of overlapping pulses with rare-earth ions in a host crystal where vibrational motion of the ions is coupled to electronic excitation. I have also considered nonlinear pulse propagation phenomena in an inhomogeneously broadened medium of such ions, e.g. the generation various Raman sidebands.
Gabor Demeter: Quantum control of multilevel atoms with rotational degeneracy using short laser pulses, Phys. Rev. A, vol. 82, 043404, 2010
Gabor Demeter and Gagik Djotyan: Multiphoton adiabatic passage for atom optics applications, J. Opt. Soc. Am. B, vol. 26, p. 867-875, 2009
Gabor Demeter and Z. Kis: Nonlinear optical phenomena in two-level systems with vibrational freedom, közlésre előkészítve, 2011
G. P. Djotyan, J. S. Bakos, Zs. Sörlei, G. Demeter, N. Sándor, D. Dzsotjan, M. Á. Kedves, B. Ráczkevi, P. N. Ignácz, J. Szigeti: Frequency Chirped Laser Pulses in Atomic Physics: Coherent Control of Inner and Translational Quantum States, Modern Optics and Photonics - Atoms and Structured Media, Eds. G. Yu. Kryuchkyan, G. G. Gurzadyan, A. V. Papodyan, World Scientific, Singapore, ISBN 978-981-4313-26-1, 2010
J. S. Bakos, G. Demeter, G. P. Djotyan, P. N. Ignácz, M. Á. Kedves, B. Ráczkevi, Zs. Sörlei, J. Szigeti: Cooling and Manipulating Atoms by Semiconductor Lasers, Advances in Lasers and Optics Research Vol. 4, Ed. William T. Arkin, Nova Science Publishers, ISBN: 978-1-60741-854-2, 2009
Demeter Gábor és Djotyan Gagik: Bikromatikus lézerterek által indukált többfotonos folyamatok - meghivott előadás, VI. Szimpózium a Hazai Kvantumelektronikai Kutatások Eredményeiről.Budapest, 2008. Szerk.: Ádám Péter, Kiss Tamás, Varró Sándor ISBN 978-963-06-5922-2 M8, 2008
Bakos József, Demeter Gábor, Djotyan Gagik, Ignácz Péter, Kedves Miklós, Ráczkevi Béla, Sörlei Zsuzsa, Szigeti János: Atomok gyorsítása frekvenciamodulált átfedő lézerimpulzusokkal., VI. Szimpózium a Hazai Kvantumelektronikai Kutatások Eredményeiről. Budapest, 2008. Szerk.: Ádám Péter, Kiss Tamás, Varró Sándor ISBN 978-963-06-5922-2. P15, 2008
Events of the project
2020-02-03 11:29:52
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: RMI - Plazmafizikai Osztály (Wigner Fizikai Kutatóközpont), Új kutatóhely: RMI - Nagyenergiás Fizikai Osztály (Wigner Fizikai Kutatóközpont).
