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 una " luz lenta ", que se describe a continuación. En esencia, se trata de 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 EIT implica dos campos ópticos (fuentes de luz altamente coherentes, como los láseres ) que están sintonizados para interactuar con tres estados cuánticos de un material. El campo de "sonda" está sintonizado 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 se sintoniza 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 la probabilidad de transición entre estados atómicos. Estrechamente relacionados con la TIE están los fenómenos coherentes de captura de población (CPT).
La interferencia cuántica en la EIT se puede aprovechar para enfriar con láser partículas atómicas, incluso hasta el estado fundamental de movimiento de la mecánica cuántica. [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 posibles transiciones entre estados deben ser "dipolo permitidas", es decir, las transiciones pueden ser inducidas por un campo eléctrico oscilante. La tercera transición debe estar "prohibida por dipolos". Uno de los tres estados está conectado con los otros dos mediante los dos campos ópticos. Los tres tipos de esquemas EIT se diferencian por las diferencias energéticas entre este estado y los otros dos. Los esquemas son escalera, uve y lambda. Cualquier sistema material real puede contener muchos tripletes de estados que teóricamente podrían soportar la EIT, pero existen varias limitaciones prácticas sobre qué niveles pueden usarse realmente.
También son importantes las tasas de desfase de cada estado. 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 huésped. La desintegración del Estado es especialmente importante; Lo ideal sería que fuera un estado robusto y metaestable.
Actualmente [ ¿cuándo? ] La investigación del 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 la conoce como transparencia inducida optomecánicamente. También se está trabajando en nanoestructuras semiconductoras 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] Actualmente existen varios enfoques diferentes para el tratamiento teórico de la TIE. Un enfoque consiste en ampliar 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 de que el sistema se transfiera entre estados puede interferir destructivamente , impidiendo la absorción. En este contexto, "interferencia" se refiere a interferencias entre eventos cuánticos (transiciones) y no a interferencias ópticas de ningún tipo. Como ejemplo específico, considere el esquema lambda que se muestra arriba. La absorción de la sonda está determinada por el paso de a . Los campos pueden impulsar la población desde - directamente o desde - - - . Las amplitudes de probabilidad de los diferentes caminos interfieren de forma destructiva. Si tiene una vida útil relativamente larga, el resultado será una ventana transparente completamente dentro de la línea de absorción.
Otro enfoque es la imagen del " estado vestido ", en la que el sistema + campo de acoplamiento hamiltoniano se diagonaliza y el efecto sobre la sonda se calcula en la nueva base. En esta imagen, el IET se asemeja a una combinación de la división entre Autler y Townes y la interferencia de Fano entre los estados vestidos. Entre los picos dobletes, en el centro de la ventana de transparencia, se cancelan las amplitudes de probabilidad cuántica de que la sonda provoque una transición a cualquiera de los estados.
Una imagen de polariton es particularmente importante para describir esquemas de luces detenidas. Aquí, los fotones de la sonda se "transforman" coherentemente en "polaritones en 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.
Es importante darse cuenta de que la TIE es sólo uno de los muchos mecanismos diversos que pueden producir luz lenta . Las relaciones 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 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 abundantes investigaciones sobre la TIE con Stephen E. Harris . "Utilizando simulaciones numéricas detalladas y teoría analítica, estudiamos las propiedades de las microcavidades que incorporan materiales que exhiben transparencia inducida electromagnéticamente (EIT) o luz ultralenta (USL). Descubrimos que dichos sistemas, aunque son de tamaño miniatura ( longitud de onda de orden), e integrables, pueden tener algunas propiedades sobresalientes, en particular, podrían tener vidas útiles de órdenes de magnitud más largas que otros sistemas existentes, y podrían exhibir conmutación totalmente óptica no lineal en niveles de potencia de un solo fotón. Las aplicaciones potenciales incluyen atómicas en miniatura. relojes y procesamiento de información cuántica totalmente óptico". [13] El récord actual de luz lenta en un medio EIT lo ostentan Budker, Kimball, Rochester y Yashchuk en UC 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, se trata de desconectar el haz de acoplamiento de forma adiabática mientras el pulso de la sonda todavía se encuentra dentro del medio EIT. Existe evidencia experimental de pulsos atrapados en el medio EIT. Los autores crearon un pulso de luz estacionario dentro de un medio atómico coherente. [15] En 2009, investigadores de la Universidad de Harvard y el MIT demostraron un interruptor óptico de unos 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 el semáforo. [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 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 dipolo a y . Un intenso láser de "acoplamiento" 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 la de 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 tipo Fano , donde se usa para etiquetar el estado de movimiento cuantificado del átomo. La frecuencia Rabi del láser de acoplamiento se elige de manera que la banda lateral "roja" se encuentre en el máximo estrecho de la característica tipo Fano . Por el contrario, la banda lateral "azul" se encuentra en una región de baja probabilidad de excitación, como se muestra en la siguiente figura. Debido a la gran relación de las probabilidades de excitación, el límite de enfriamiento se reduce en comparación con el enfriamiento Doppler o de banda lateral (suponiendo la misma velocidad de enfriamiento). [19]
