Una red óptica se forma por la interferencia de rayos láser que se propagan en sentido contrario, creando un patrón de polarización periódica espacial. El potencial periódico resultante puede atrapar átomos neutros a través del desplazamiento de Stark . [1] Los átomos se enfrían y se congregan en los extremos potenciales (en los máximos para redes desafinadas en azul y en los mínimos para redes desafinadas en rojo). La disposición resultante de átomos atrapados se asemeja a una red cristalina [2] y se puede utilizar para la simulación cuántica .
Los átomos atrapados en la red óptica pueden moverse debido al efecto túnel cuántico , incluso si la profundidad del pozo de potencial de los puntos de la red excede la energía cinética de los átomos, que es similar a los electrones en un conductor . [3] Sin embargo, puede ocurrir una transición superfluido - aislante de Mott [4] , si la energía de interacción entre los átomos se vuelve mayor que la energía de salto cuando la profundidad del pozo es muy grande. En la fase de aislante de Mott, los átomos quedarán atrapados en los mínimos potenciales y no podrán moverse libremente, lo que es similar a los electrones en un aislante . En el caso de los átomos fermiónicos, si la profundidad del pozo aumenta aún más, se predice que los átomos formarán un estado antiferromagnético , es decir, de Néel, a temperaturas suficientemente bajas. [5]
La primera propuesta de V.S. Letokhov en 1968 fue atrapar átomos en ondas estacionarias de luz. [6]
Hay dos parámetros importantes de una red óptica: la profundidad del pozo potencial y la periodicidad .
El potencial que experimentan los átomos está relacionado con la intensidad del láser utilizado para generar la red óptica. La profundidad del potencial de la red óptica se puede ajustar en tiempo real modificando la potencia del láser, que normalmente se controla mediante un modulador acústico-óptico (AOM). El AOM se ajusta para desviar una cantidad variable de la potencia del láser hacia la red óptica. La estabilización de la potencia activa del láser de red se puede lograr mediante la retroalimentación de una señal de fotodiodo al AOM.
La periodicidad de la red óptica se puede ajustar cambiando la longitud de onda del láser o cambiando el ángulo relativo entre los dos rayos láser. El control en tiempo real de la periodicidad de la red sigue siendo una tarea desafiante. La longitud de onda del láser no se puede variar fácilmente en un rango grande en tiempo real, y por lo tanto la periodicidad de la red normalmente se controla por el ángulo relativo entre los rayos láser. [7] Sin embargo, es difícil mantener la red estable mientras se cambian los ángulos relativos, ya que la interferencia es sensible a la fase relativa entre los rayos láser. Los láseres de titanio-zafiro , con su gran rango ajustable, proporcionan una posible plataforma para el ajuste directo de la longitud de onda en sistemas de red óptica.
El control continuo de la periodicidad de una red óptica unidimensional mientras se mantienen los átomos atrapados in situ se demostró por primera vez en 2005 utilizando un galvanómetro servocontrolado de un solo eje. [8] Esta "red de acordeón" fue capaz de variar la periodicidad de la red de 1,30 a 9,3 μm. Más recientemente, se demostró un método diferente de control en tiempo real de la periodicidad de la red, [9] en el que la franja central se movió menos de 2,7 μm mientras que la periodicidad de la red se cambió de 0,96 a 11,2 μm. Mantener los átomos (u otras partículas) atrapados mientras se cambia la periodicidad de la red aún debe probarse más a fondo experimentalmente. Estas redes de acordeón son útiles para controlar átomos ultrafríos en redes ópticas, donde un espaciado pequeño es esencial para la tunelización cuántica, y un espaciado grande permite la manipulación de un solo sitio y la detección con resolución espacial. La detección resuelta por sitio de la ocupación de sitios reticulares de bosones y fermiones dentro de un régimen de tunelización alta se realiza regularmente en microscopios de gas cuántico. [10] [11]
El mecanismo de atrapamiento se produce a través del desplazamiento de Stark, donde la luz fuera de resonancia provoca cambios en la estructura interna de un átomo. El efecto del desplazamiento de Stark es crear un potencial proporcional a la intensidad. El efecto de un campo de luz sobre un átomo es inducir un momento dipolar eléctrico como resultado del campo eléctrico oscilante. Este dipolo inducido interactuará entonces con el campo eléctrico, lo que provocará un desplazamiento de energía , donde , donde , es la polarizabilidad dinámica de la transición atómica resonante en y es la desafinación del campo de luz de la resonancia. En el caso de ("desajustación roja"), el dipolo inducido estará en fase con el campo y, por lo tanto, el gradiente de energía potencial resultante apuntará en la dirección de mayor intensidad. Este es el mismo mecanismo de atrapamiento que en las trampas dipolares ópticas (ODT), con la única diferencia importante siendo que la intensidad de una red óptica tiene una variación espacial mucho más dramática que una ODT estándar. [1]
Una red óptica unidimensional está formada por dos rayos láser que se propagan en sentido contrario y tienen la misma polarización. Los rayos interferirán, lo que dará lugar a una serie de mínimos y máximos separados por , donde es la longitud de onda de la luz utilizada para crear la red óptica. El potencial resultante que experimentarán los átomos será .
Mediante el uso de rayos láser adicionales, se pueden construir redes ópticas bidimensionales o tridimensionales. Una red óptica bidimensional se puede construir interfiriendo dos ondas estacionarias ópticas ortogonales, lo que da lugar a una matriz de tubos de potencial unidimensionales. Asimismo, tres ondas estacionarias ópticas ortogonales pueden dar lugar a una matriz tridimensional de sitios que pueden aproximarse como potenciales de oscilador armónico de confinamiento estricto. [2]
El potencial de atrapamiento que experimentan los átomos en una trampa dipolar óptica es débil, generalmente por debajo de 1 mK. Por lo tanto, los átomos deben enfriarse significativamente antes de cargarlos en la red óptica. Las técnicas de enfriamiento utilizadas para este fin incluyen trampas magneto-ópticas , enfriamiento Doppler , enfriamiento por gradiente de polarización, enfriamiento Raman , enfriamiento de banda lateral resuelta y enfriamiento por evaporación . [1]
Si se debe agregar el potencial periódico después de la condensación, en lugar de realizar un enfriamiento por evaporación en el potencial reticular, es necesario considerar las condiciones para la carga adiabática de la red. La red debe aumentarse lentamente en intensidad de modo que el condensado permanezca en su estado fundamental para cargar el condensado en la banda fundamental de la red. La escala de tiempo de la activación en general estará determinada por la separación de energía entre la banda fundamental y la primera banda excitada. [2]
Una vez que los átomos fríos se cargan en la red óptica, experimentan un calentamiento por diversos mecanismos, como la dispersión espontánea de fotones de los láseres de la red óptica. Estos mecanismos generalmente limitan la vida útil de los experimentos de red óptica. [1]
Una vez enfriados y atrapados en una red óptica, los átomos pueden ser manipulados o dejados evolucionar. Las manipulaciones más comunes implican la "sacudida" de la red óptica variando la fase relativa entre los haces que se propagan en sentido contrario o modulando la frecuencia de uno de los haces que se propagan en sentido contrario, o la modulación de la amplitud de la red. Después de evolucionar en respuesta al potencial de la red y a cualquier manipulación, los átomos pueden ser fotografiados mediante imágenes de absorción.
Una técnica de observación común es la obtención de imágenes de tiempo de vuelo (TOF). La obtención de imágenes TOF funciona esperando primero una cierta cantidad de tiempo para que los átomos evolucionen en el potencial de red, y luego apagando el potencial de red (apagando la potencia del láser con un AOM). Los átomos, ahora libres, se dispersan a diferentes velocidades según sus momentos. Al controlar la cantidad de tiempo que se permite que evolucionen los átomos, la distancia recorrida por los átomos se corresponde con su estado de momento cuando se apagó la red. Debido a que los átomos en la red solo pueden cambiar de momento en , un patrón característico en una imagen TOF de un sistema óptico-reticular es una serie de picos a lo largo del eje de la red en los momentos , donde . Usando imágenes TOF, se puede determinar la distribución del momento de los átomos en la red. Combinado con imágenes de absorción in situ (tomadas con la red aún encendida), esto es suficiente para determinar la densidad del espacio de fase de los átomos atrapados, una métrica importante para diagnosticar la condensación de Bose-Einstein (o más generalmente, la formación de fases cuánticas degeneradas de la materia).
Los átomos en una red óptica proporcionan un sistema cuántico ideal en el que todos los parámetros son altamente controlables y en el que se pueden realizar experimentalmente modelos simplificados de física de la materia condensada. Como es posible obtener imágenes directas de los átomos (algo difícil de hacer con los electrones en los sólidos), se pueden utilizar para estudiar efectos que son difíciles de observar en cristales reales. Las técnicas de microscopía cuántica de gases aplicadas a sistemas de red óptica de átomos atrapados pueden incluso proporcionar una resolución de imagen de un solo sitio de su evolución. [10]
Al interferir diferentes números de haces en varias geometrías, se pueden crear diferentes geometrías de red. Estas van desde el caso más simple de dos haces que se propagan en sentido contrario formando una red unidimensional, hasta geometrías más complejas como las redes hexagonales. La variedad de geometrías que se pueden producir en sistemas de red óptica permiten la realización física de diferentes hamiltonianos, como el modelo de Bose-Hubbard , [4] la red de Kagome y el modelo de Sachdev-Ye-Kitaev , [12] y el modelo de Aubry-André . Al estudiar la evolución de los átomos bajo la influencia de estos hamiltonianos, que se pueden mapear a hamiltonianos que describen la dinámica de los electrones en varios modelos de red, se puede obtener información sobre las soluciones del hamiltoniano. Esto es particularmente relevante para los hamiltonianos complicados que no son fáciles de resolver utilizando técnicas teóricas o numéricas, como aquellos para sistemas fuertemente correlacionados.
Los mejores relojes atómicos del mundo utilizan átomos atrapados en redes ópticas, para obtener líneas espectrales estrechas que no se ven afectadas por el efecto Doppler y el retroceso . [13] [14]
También son candidatos prometedores para el procesamiento de información cuántica . [15] [16]
Las redes ópticas agitadas (en las que se modula la fase de la red, lo que hace que el patrón de la red se mueva de un lado a otro) se pueden utilizar para controlar el estado de momento de los átomos atrapados en la red. Este control se ejerce para dividir los átomos en poblaciones de diferentes momentos, propagarlos para acumular diferencias de fase entre las poblaciones y recombinarlos para producir un patrón de interferencia. [17]
Además de atrapar átomos fríos, las redes ópticas se han utilizado ampliamente para crear rejillas y cristales fotónicos . También son útiles para clasificar partículas microscópicas [18] y pueden ser útiles para ensamblar matrices de celdas.
