Una red óptica se forma mediante la interferencia de rayos láser que se propagan en sentido contrario , creando un patrón de polarización espacialmente periódico . El potencial periódico resultante puede atrapar átomos neutros mediante el 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 los átomos atrapados se asemeja a una red cristalina [2] y puede usarse para simulación cuántica .
Los átomos atrapados en la red óptica pueden moverse debido al túnel cuántico , incluso si la profundidad potencial de los puntos de la red excede la energía cinética de los átomos, que es similar a la de los electrones en un conductor . [3] Sin embargo, puede ocurrir una transición superfluido - aislante 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 del aislante de Mott, los átomos quedarán atrapados en los mínimos de potencial y no podrán moverse libremente, lo cual es similar a los electrones en un aislante . En el caso de los átomos fermiónicos, si se aumenta aún más la profundidad del pozo, se predice que los átomos formarán un estado antiferromagnético , es decir, de Néel , a temperaturas suficientemente bajas. [5]
La captura de átomos en ondas estacionarias de luz fue propuesta por primera vez por VS Letokhov en 1968. [6]
Hay dos parámetros importantes de una red óptica: la profundidad potencial del pozo y la periodicidad .
El potencial experimentado por los átomos está relacionado con la intensidad del láser utilizado para generar la red óptica. La profundidad potencial de la red óptica se puede ajustar en tiempo real cambiando la potencia del láser, que normalmente está controlado por un modulador acústico-óptico (AOM). El AOM está sintonizado para desviar una cantidad variable de la potencia del láser hacia la red óptica. La estabilización de potencia activa del láser reticular 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 amplio rango en tiempo real, por lo que la periodicidad de la red normalmente está controlada por el ángulo relativo entre los rayos láser. [7] Sin embargo, es difícil mantener estable la red 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 amplio rango sintonizable, proporcionan una posible plataforma para la sintonización directa de longitudes de onda en sistemas de redes ópticas.
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" pudo 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 movía menos de 2,7 μm mientras que la periodicidad de la red cambiaba 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 experimentalmente más a fondo. Estas redes de acordeón son útiles para controlar átomos ultrafríos en redes ópticas, donde los espacios pequeños son esenciales para la tunelización cuántica, y los espacios grandes permiten la manipulación de un solo sitio y la detección resuelta espacialmente. La detección resuelta en el sitio de la ocupación de sitios reticulares de bosones y fermiones dentro de un régimen de túnel alto se realiza regularmente en microscopios cuánticos de gases. [10] [11]
Una red óptica básica está formada por el patrón de interferencia de dos rayos láser que se propagan en sentido contrario. El mecanismo de captura se produce a través del cambio Stark, donde la luz fuera de resonancia provoca cambios en la estructura interna de un átomo. El efecto del cambio Stark es crear un potencial proporcional a la intensidad. Este es el mismo mecanismo de captura que en las trampas de dipolos ópticos (ODT), con la única diferencia importante de que la intensidad de una red óptica tiene una variación espacial mucho más dramática que una ODT estándar. [1]
El cambio de energía hacia (y por lo tanto, el potencial experimentado por) un estado fundamental electrónico viene dado por la teoría de la perturbación independiente del tiempo de segundo orden , donde la rápida variación temporal del potencial reticular en frecuencias ópticas se ha promediado en el tiempo.
Una imagen alternativa de las fuerzas de la luz estimulada debido al efecto AC Stark es ver el proceso como un proceso Raman estimulado, donde el átomo redistribuye fotones entre los rayos láser que se contrapropagan y que forman la red. En esta imagen, queda más claro que los átomos sólo pueden adquirir impulso de la red en unidades de , donde es el impulso de un fotón de un rayo láser. [1]
El potencial de captura que experimentan los átomos en una trampa dipolar óptica es débil, generalmente inferior a 1 mK. Por tanto, los átomos deben enfriarse significativamente antes de cargarlos en la red óptica. Las técnicas de enfriamiento utilizadas para este fin incluyen trampas magnetoópticas , enfriamiento Doppler , enfriamiento por gradiente de polarización, enfriamiento Raman , enfriamiento de banda lateral resuelta y enfriamiento por evaporación . [1]
Una vez que los átomos fríos se cargan en la red óptica, experimentarán calentamiento mediante varios 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 redes ópticas. [1]
Una vez enfriados y atrapados en una red óptica, pueden manipularse o dejarse evolucionar. Las manipulaciones comunes implican la "sacudida" de la red óptica variando la fase relativa entre los haces que se contrapropagan, o la modulación de amplitud de la red. Después de evolucionar en respuesta al potencial de la red y cualquier manipulación, se pueden obtener imágenes de los átomos mediante imágenes de absorción.
Una técnica de observación común son las imágenes de tiempo de vuelo (TOF). Las imágenes TOF funcionan esperando primero un tiempo para que los átomos evolucionen en el potencial de la red y luego apagando el potencial de la 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 los átomos evolucionen, la distancia recorrida por los átomos se relaciona con cuál debe haber sido su estado de impulso cuando se apagó la red. Debido a que los átomos en la red solo pueden cambiar su impulso en , un patrón característico en una imagen TOF de un sistema de red óptica es una serie de picos a lo largo del eje de la red en momentos , donde . Utilizando 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 importancia).
Los átomos en una red óptica proporcionan un sistema cuántico ideal donde se pueden controlar todos los parámetros. Como se pueden 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 redes ópticas de átomos atrapados pueden incluso proporcionar una resolución de imagen de su evolución en un solo sitio. [10]
Interfiriendo diferentes números de vigas en varias geometrías, se pueden crear diferentes geometrías de red. Estos van desde el caso más simple de dos vigas que se contrapropagan formando una red unidimensional, hasta geometrías más complejas como redes hexagonales. La variedad de geometrías que se pueden producir en los sistemas reticulares ópticos permiten la realización física de diferentes hamiltonianos, como el modelo de Bose-Hubbard , [4] el retículo de Kagome y el modelo de Sachdev-Ye-Kitaev , [12] y el de Aubry-André. modelo. Al estudiar la evolución de los átomos bajo la influencia de estos hamiltonianos, se puede obtener información sobre las soluciones del hamiltoniano. Esto es particularmente relevante para los hamiltonianos complicados que no se pueden resolver fácilmente utilizando técnicas teóricas o numéricas, como las de 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, donde se modula la fase de la red, lo que hace que el patrón de la red se mueva hacia adelante y hacia atrás, se pueden utilizar para controlar el estado de impulso 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 conjuntos de células.
