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 . También se crea una dispersión extrema dentro de esta "ventana" de transparencia que conduce a la " luz lenta ", descrita a continuación. Es, en esencia, 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 EIT implica dos campos ópticos (fuentes de luz altamente coherentes, como los láseres ) que están ajustados para interactuar con tres estados cuánticos de un material. El campo de "sonda" está ajustado cerca de la resonancia entre dos de los estados y mide el espectro de absorción de la transición. Un campo de "acoplamiento" mucho más fuerte está ajustado cerca de la resonancia en una transición diferente. Si los estados se seleccionan correctamente, 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 "bomba", este último en analogía con las no linealidades ópticas incoherentes, como la quema de agujeros espectrales o la saturación.
La EIT se basa en la interferencia destructiva de la amplitud de probabilidad de transición entre estados atómicos. Estrechamente relacionados con la EIT están los fenómenos de captura de población coherente (CPT).
La interferencia cuántica en EIT se puede aprovechar para enfriar partículas atómicas mediante láser, incluso hasta el estado fundamental de movimiento mecánico cuántico. [2] Esto se utilizó en 2015 para obtener imágenes directas de átomos individuales atrapados en una red óptica . [3]
Existen restricciones específicas sobre la configuración de los tres estados. Dos de las tres transiciones posibles entre los estados deben ser "dipolo permitido", es decir, las transiciones pueden ser inducidas por un campo eléctrico oscilante. La tercera transición debe ser "dipolo prohibido". Uno de los tres estados está conectado a los otros dos por 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 el de escalera, el de vee y el de lambda. Cualquier sistema material real puede contener muchos tripletes de estados que podrían teóricamente soportar EIT, pero existen varias limitaciones prácticas sobre qué niveles se pueden utilizar realmente.
También son importantes las tasas de desfase de los estados individuales. En cualquier sistema real a temperatura distinta de cero hay 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 de un estado es especialmente importante; idealmente debería ser un estado robusto y metaestable.
Actualmente [¿ cuándo? ] la investigación de EIT utiliza sistemas atómicos en gases diluidos, soluciones sólidas o estados más exóticos como el condensado de Bose-Einstein . La EIT se ha demostrado en sistemas electromecánicos [4] y optomecánicos [5] , donde se conoce como transparencia inducida optomecánicamente. También se está trabajando en nanoestructuras de semiconductores como pozos cuánticos [6] , cables 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 Gorky (rebautizada como Nizhny Novgorod en 1990), Rusia; [9] ahora hay 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 campo único de dos estados. En esta imagen, la amplitud de probabilidad para que el sistema se 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 interferencia óptica de ningún tipo. Como ejemplo específico, considere el esquema lambda que se muestra arriba. La absorción de la sonda se define por la transición de a . Los campos pueden impulsar la población desde - directamente o desde - - - . Las amplitudes de probabilidad para los diferentes caminos interfieren destructivamente. Si tiene una vida útil comparativamente larga, entonces el resultado será una ventana transparente completamente dentro de la línea de absorción - .
Otro enfoque es la imagen de " estado vestido ", en la que el hamiltoniano del sistema + campo de acoplamiento se diagonaliza y el efecto sobre la sonda se calcula en la nueva base. En esta imagen, la EIT se asemeja a una combinación de división de Autler-Townes e interferencia de Fano entre los estados vestidos. Entre los picos de doblete, 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.
Una imagen de polaritones es particularmente importante para describir esquemas de luz detenida. Aquí, 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 período de tiempo que depende únicamente de las tasas de desfase.
La 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 la EIT fue realizada por Boller, İmamoğlu y Harris en la Universidad de Stanford en 1991 en estroncio . En 1999, Lene Hau informó sobre la desaceleración 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 la EIT con Stephen E. Harris . "Mediante simulaciones numéricas detalladas y teoría analítica, estudiamos las propiedades de microcavidades que incorporan materiales que exhiben Transparencia Inducida Electromagnéticamente (EIT) o Luz Ultra Lenta (USL). Descubrimos que tales sistemas, a pesar de ser de tamaño miniatura (longitud de onda de orden) e integrables, pueden tener algunas propiedades excepcionales. En particular, podrían tener tiempos de vida órdenes de magnitud más largos que otros sistemas existentes y podrían exhibir una conmutación completamente óptica no lineal a niveles de potencia de fotón único. Las aplicaciones potenciales incluyen relojes atómicos en miniatura y procesamiento de información cuántica completamente óptico". [13] El récord actual de luz lenta en un medio EIT lo tienen Budker, Kimball, Rochester y Yashchuk en la Universidad de California en Berkeley en 1999. Se midieron velocidades de grupo tan bajas como 8 m/s en un vapor de rubidio térmico cálido . [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 manera adiabática mientras el pulso de sonda todavía está dentro del medio EIT. Hay evidencia experimental de pulsos atrapados en el medio EIT. Los autores crearon un pulso de luz estacionario dentro del medio coherente atómico. [15] En 2009, investigadores de la Universidad de Harvard y el MIT demostraron un interruptor óptico de pocos fotones para la óptica cuántica basado en las ideas de la 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 con láser largas cadenas de átomos hasta su estado fundamental de movimiento en una trampa de iones . [18] Para ilustrar la técnica de enfriamiento, considere un átomo de tres niveles como el que se muestra con un estado fundamental , un estado excitado y un estado estable o metaestable que se encuentra entre ellos. El estado excitado está acoplado dipolarmente a y . Un láser de "acoplamiento" intenso impulsa la transición en la desafinación por encima de la resonancia. Debido a la interferencia cuántica de las amplitudes de transición, un láser de "enfriamiento" más débil que impulsa la transición en la desafinación por encima de la resonancia ve una característica similar a Fano en el perfil de absorción. El enfriamiento EIT se realiza cuando , de modo que la transición del portador se encuentra en la resonancia oscura de la característica similar a Fano , donde se utiliza para etiquetar el estado de movimiento cuantificado del átomo. La frecuencia Rabi del láser de acoplamiento se elige de modo que la banda lateral "roja" se encuentre en el máximo estrecho de la característica similar a Fano . Por el contrario, 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 es menor en comparación con el enfriamiento Doppler o de banda lateral (suponiendo la misma tasa de enfriamiento). [19]
