Fisica – Verso un’ottica Atom impeccabile

    Carlos L. Garrido Alzar

    • Time-Space Reference Systems (SYRTE), Osservatorio di Parigi, CNRS, Università di ricerca PSL, Università della Sorbona, Parigi, Francia

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L’ingegneria dei cosiddetti stati di Floquet porta a elementi di ottica atomica quasi perfetti per interferometri a onde di materia, che potrebbero aumentare la capacità di questi dispositivi di sondare nuova fisica.

T. Wilkason, M. Nantel, J. Rudolph, Y. Jiang, BE Garber, H. Swan, SP Carman, M. Abe e JM Hogan/Stanford University

Figura 1: Visualizzazione dell’evoluzione dello stato quantistico sulla sfera di Bloch durante un impulso ottico di un atomo di Floquet, che mostra una transizione dallo stato fondamentale (polo sud) allo stato eccitato (polo nord) con perfetta efficienza. I diversi colori mostrano diverse forze di accoppiamento per un impulso modulato in ampiezza, organizzato da un accoppiamento forte (blu, a sinistra) a un accoppiamento debole (viola, a destra).Visualizzazione dell’evoluzione dello stato quantistico sulla sfera di Bloch durante un impulso ottico di un atomo di Floquet, che mostra una transizione dallo stato fondamentale (polo sud) allo stato eccitato (polo nord) con perfetta efficienza. I diversi colori mostrano d… Mostra di più

Dal famoso esperimento di Michelson e Morley per rilevare l’etere luminifero, l’interferometria ottica ha offerto strumenti preziosi per lo studio della fisica fondamentale. Al giorno d’oggi, le applicazioni all’avanguardia della tecnica includono il suo utilizzo come righello ad alta precisione per rilevare le onde gravitazionali (vedi Focus: The Moon as a Gravitational-Wave Detector) e come piattaforma per il calcolo quantistico (vedi Viewpoint: Quantum Leap for Quantum ) primato). Ma con l’avanzare dei metodi per il raffreddamento e il controllo degli atomi, è diventato disponibile un nuovo tipo di interferometro, in cui le onde luminose sono sostituite dalle onde della materia [1]. Tali dispositivi possono misurare le forze inerziali con una sensibilità anche maggiore di quella degli interferometri ottici [2] e potrebbe rivelare una nuova fisica oltre il modello standard. In un nuovo esperimento, Jason Hogan e i suoi colleghi della Stanford University hanno affrontato uno degli ostacoli che finora hanno limitato il potenziale degli interferometri delle onde di materia: l’accoppiamento inefficiente tra gli atomi che costituiscono le onde di materia e gli impulsi di luce utilizzati per manipolarli [3]. La loro tecnica potrebbe portare a interferometri onda materia sufficientemente sensibili da rilevare fluttuazioni nella velocità di rotazione terrestre o manifestazioni di effetti relativistici generali come la “torsione” spazio-temporale prevista da alcune alternative di gravità.

Indipendentemente dal fatto che un interferometro utilizzi onde luminose o di materia, la sua sensibilità agli effetti inerziali come la rotazione dipende dalla separazione tra i bracci dell’interferometro. Negli interferometri onda materia, una grande separazione del braccio richiede la creazione di sovrapposizioni coerenti di stati della quantità di moto dell’atomo in modo che la funzione d’onda atomica possa essere delocalizzata su grandi distanze, in genere pochi centimetri. Tali grandi separazioni del braccio producono una forte sensibilità dell’interferometro a scapito di un contrasto interferometro inferiore, ovvero il rapporto segnale-rumore. Per preservare un contrasto elevato con ampie separazioni del braccio, vengono generalmente utilizzati due approcci. In entrambi i metodi, gli impulsi di luce vengono utilizzati come elementi dell’atomo-ottica per deviare le traiettorie atomiche trasferendo il momento del fotone agli atomi. Il primo approccio ottiene il contrasto interferometro desiderato aumentando le dimensioni del dispositivo, come avviene, ad esempio, nel giroscopio ad atomi freddi a fontana all’avanguardia utilizzato per misurare l’effetto Sagnac con una precisione di 25 ppm [4]. Il secondo approccio lo fa massimizzando la quantità di moto trasferita dagli impulsi di luce agli atomi [5].

I ricercatori che utilizzano quest’ultima tecnica, chiamata Large Momentum Transfer (LMT), affrontano un problema: gli atomi in ciascun braccio viaggiano a velocità diverse, producendo un errore di detuning dei fasci dell’interferometro tramite uno spostamento Doppler differenziale. Il risultante accoppiamento di luce non identico nei due bracci induce una perdita di contrasto. Per mitigare questo problema, l’ottica atomica LMT convenzionale utilizza impulsi a banda larga brevi per deviare gli atomi. In questo approccio, l’ampia larghezza di banda degli impulsi può ospitare una gamma di errori di detuning, ma porta a una perdita di efficienza e contrasto. Hogan e colleghi propongono un approccio diverso in cui gli impulsi vengono utilizzati anche per controllare gli stati degli atomi in un modo che corregge automaticamente l’errore di detuning intrinseco. Essi mostrano che gli scostamenti di frequenza dei fasci dell’interferometro possono essere compensati modulando l’interazione atomo-luce.

In particolare, il team dimostra un interferometro a onde di materia in cui gli atomi di stronzio oscillano tra il unoS0 e 3Puno stati. Modulando l’ampiezza dell’accoppiamento tra gli atomi ed i fasci dell’interferometro nel unoS03Puno transizione ottica, i ricercatori generano una serie di stati di Floquet su cui viene proiettato lo stato iniziale della quantità di moto atomica. Gli atomi subiscono un cambiamento nel loro stato interno mentre contemporaneamente alterano il loro stato esterno, aumentando o diminuendo il loro momento. Questo processo può essere realizzato con una fedeltà vicina al 100%. Come è possibile una simile performance? Possiamo guardare a questo processo da due prospettive.

Dal punto di vista energetico si può dire che, per un dato detuning Doppler del fascio dell’interferometro, la modulazione crea una banda laterale con la frequenza richiesta per compensare tale detuning. La modulazione aggiunge l’energia mancante necessaria per soddisfare la condizione di risonanza. In altre parole, la modulazione di accoppiamento amplia spettralmente il fascio di luce su una banda di frequenza che copre il detuning Doppler.

Dal punto di vista dello stato quantistico, modulando l’accoppiamento atomo-luce, gli autori creano varietà di stati vestiti dipendenti dal tempo caratterizzati da un numero ben definito di quanti di energia di modulazione. Quindi, sintonizzando il profilo temporale dell’accoppiamento, sono in grado di far evolvere il sistema atomo-luce da un collettore all’altro (Fig. 1). Poiché queste varietà, o sottospazi di Floquet, corrispondono a diversi momenti o velocità di propagazione degli atomi, è possibile trasferire in modo efficiente una quantità significativa di momenti fotonici agli atomi senza perdere il contrasto dell’interferometro. Questo è il principio di funzionamento dell’ottica atomica Floquet.

Come risultato di questo processo, Hogan e colleghi ottengono un grande trasferimento di slancio di 400 HK—stabilire lo stato dell’arte negli interferometri LMT—ma con un superiore

Visibilità marginale del 10% e inversione della popolazione efficiente del 99,4% degli stati dell’interferometro. Pertanto, la loro dimostrata ottica atomica Floquet fornisce una manipolazione dello stato coerente quasi perfetta. Rispetto ad altre tecniche attualmente utilizzate, questo nuovo metodo consente una soluzione robusta, flessibile e facile da implementare (sono necessari solo tre parametri) per la correzione degli errori di detuning negli interferometri a onde di materia di grandi dimensioni. Inoltre, progettare l’accoppiamento atomo-luce in questo modo potrebbe offrire nuove prospettive, ad esempio, controllando il trasferimento di quantità di moto agli atomi anche quando sono intrappolati in potenziali modulati [6]ingegnerizzazione di sottospazi privi di decoerenza per l’elaborazione di informazioni quantistiche [7]e l’esecuzione di simulazioni quantistiche [8].

Riferimenti

  1. cap. J. Bordé, “Interferometria atomica con etichettatura interna dello stato”, Phys. permettere. UN 14010 (1989).
  2. Un Peters et al.“Misurazioni gravitazionali ad alta precisione utilizzando l’interferometria atomica”, metrologia 3825 (2001).
  3. T. Wilkason et al.“Interferometria atomica con ottica atomica Floquet”, Phys. Rev. permettere. 129183202 (2022).
  4. R. Gautier et al.“Misurazione accurata dell’effetto Sagnac per le onde di materia”, sci. avv. 8 (2022).
  5. JM McGuirk et al.“Interferometria dell’atomo a impulsi di luce di grandi dimensioni”, Phys. Rev. permettere. 854498 (2000).
  6. I. Bouchoule et al.“Limitazioni del metodo di modulazione per smussare la rugosità della guida del filo”, Phys. Rev. UN 77023624 (2008).
  7. C. Chen et al.“Controllo floquet della dissipazione quantistica nelle catene di spin”, Phys. Rev. UN 91052122 (2015).
  8. N. Goldman et al.“Materia quantistica topologica con gas ultrafreddi in reticoli ottici”, Nat. Phys. 12639 (2016).

Circa l’autore

Immagine di Carlos L. Garrido Alzar

Carlos L. Garrido Alzar è professore associato di ricerca presso Time-Space Reference Systems (SYRTE) dell’Osservatorio di Parigi. Ha conseguito il dottorato di ricerca. di ottica quantistica presso l’Istituto di Fisica dell’Università di San Paolo nel 2002. Ha poi ricoperto fino al 2005 una posizione di assistente professore presso il Centro nazionale danese di ricerca per l’ottica quantistica del Niels Bohr Institute di Copenaghen. Dopo un soggiorno post-dottorato presso l’Institute of Optics Graduate School in Francia, si è trasferito alla SYRTE. Lì, la sua attuale ricerca si concentra sullo sviluppo dell’interferometria di atomi guidati su chip atomici per applicazioni di navigazione inerziale compatte.


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