לכידות אוכלוסייה קוהרנטית

לכידות אוכלוסייה קוהרנטית (CPT - Coherent Population Trapping) היא תופעה קוונטית הנוצרת על ידי אינטראקציה קוהרנטית של שני שדות אופטיים (כלומר, שני לייזרים) בעלי עוצמה זהה, בתהודה עם מערכת אטומית בעלת שלוש רמות אנרגיה בתצורת Λ. במערכת בעלת תצורת Λ, כאשר הפרש התדירויות בין שני השדות האופטיים זהה להפרש התדירויות בין רמות האנרגיה התחתונות של האטום נוצרת התאבכות קוונטית בין רמות האנרגיה התחתונות הגורמת לאטומים להיכנס ל"מצב חשוך" (מצב חשוך מתייחס למצב בו האטום לא יכול לבלוע או לפלוט פוטון). האוכלוסייה האטומית נלכדת ברמות האנרגיה התחתונות באופן שווה מבלי אפשרות להיבלע לרמת האנרגיה המעוררת. מצב זה מתבטא במינימום בליעה.

תאוריה

איור 1: מערכת שלוש רמות בתצורת למבדה

נתייחס למערכת שלוש רמות אנרגיה בתצורת $\Lambda$ (איור 1). $|1\rangle$ ו-$|2\rangle$ הינן רמות האנרגיה התחתונות ו-$|3\rangle$ היא רמת האנרגיה המעוררת. כל אחד מהמעברים האופטיים מצומד עם שדה לייזר. המעבר מרמה $|1\rangle$ לרמה $|3\rangle$ מצומד עם שדה $V_{13}$ והמעבר מרמה $|2\rangle$ לרמה $|3\rangle$ עם שדה $V_{23}$.

$\Delta _{31}$ ו- $\Delta _{32}$ הינם הסטיות של תדירויות השדות מתהודה עם המעברים האופטיים $|3\rangle \leftarrow |1\rangle$ ו- $|3\rangle \leftarrow |2\rangle$ בהתאמה. כאשר הפרש התדירויות בין שני השדות האופטיים זהה להפרש התדירויות בין רמות האנרגיה התחתונות של האטום, כלומר $\Delta _{31}=\Delta _{32}$, תדירות זו נקראת תדירות התהודה הדו פוטונית והמערכת האטומית נמצאת בתהודה דו פוטונית (נקרא לפעמים גם תהודת רמן).

המילטוניאן האינטראקציה הינו: $H={\begin{bmatrix}0&0&V_{31}\\0&-2(\Delta _{31}-\Delta _{32})&V_{32}\\V_{31}&V_{32}&-2\Delta _{31}\end{bmatrix}}$

הווקטורים העצמיים בתדירות התהודה הדו פוטונית הם:

$|\Psi _{+}\rangle =-{\frac {1}{\sqrt {2}}}\left({\frac {V_{31}|1\rangle +{\sqrt {V_{31}^{2}+V_{32}^{2}}}|3\rangle +V_{32}|2\rangle }{\sqrt {V_{31}^{2}+V_{32}^{2}}}}\right),$

$|\Psi _{-}\rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left({\frac {-V_{31}|1\rangle +{\sqrt {V_{31}^{2}+V_{32}^{2}}}|3\rangle -V_{32}|2\rangle }{\sqrt {V_{31}^{2}+V_{32}^{2}}}}\right),$

$|\Psi _{D}\rangle =\left({\frac {V_{31}|2\rangle -V_{32}|1\rangle }{\sqrt {V_{31}^{2}+V_{32}^{2}}}}\right).$

כאשר נקח קומבינציה לינארית של שתי הרמות $|\Psi _{+}\rangle$ ו- $|\Psi _{-}\rangle$ נקבל את הרמות העצמיות הבאות:

${\frac {-1}{\sqrt {2}}}\left(|\Psi _{+}\rangle -\Psi _{-}\rangle \right)=|3\rangle$

${\frac {-1}{\sqrt {2}}}\left(|\Psi _{+}\rangle +\Psi _{-}\rangle \right)={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left({\frac {V_{31}|1\rangle +V_{32}|2\rangle }{\sqrt {V_{31}^{2}+V_{32}^{2}}}}\right)$

בהנחה כי $V_{31}=V_{32}$, אז המצב ${\frac {-1}{\sqrt {2}}}\left(|\Psi _{+}\rangle +\Psi _{-}\rangle \right)$ הופך ל: $|\Psi _{B}={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(|1\rangle +|2\rangle \right)$ והמצב $|\Psi _{D}\rangle$ ל: $|\Psi _{D}\rangle ={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(|1\rangle -|2\rangle \right)$.

אלו הם המצב הבהיר והמצב החשוך. המצב הבהיר מאופיין בבליעה מפני שמצב זה הוא באינטראקציה עם האור, בעוד המצב החשוך מאופיין בשקיפות מלאה מאחר שלא מתרחשת אינטראקציה עם האור. כאשר האוכלוסייה מגיעה למצב החשוך היא נלכדת בתוכו.

איור 2: ספקטרום לכידות אוכלוסייה קוהרנטית

מודל זה מסביר בצורה אינטואיטיבית את עקרון לכידות אוכלוסייה הקוהרנטית. הוא מראה כיצד במקרה של תדירות התהודה הדו פוטונית לא מגיעה אוכלוסייה לרמת האנרגיה הגבוהה וכל האוכלוסייה האטומית היא סופרפוזיציה קוהרנטית של שתי הרמות התחתונות. כאשר מודדים את הבליעה של שדה לייזר סורק (כלומר משנים את התדירות של הלייזר) בנוכחות שדה אופטי שני בעל תדירות קבועה לכידות אוכלוסייה קוהרנטית תתקבל בהופעת חלון שקיפות צר בתדירות התהודה הדו פוטונית (איור 2) אשר הוא צר בכמה סדרי גודל מרוחב הקו הטבעי של המעבר.

יישומים

לסטייה של הפרש תדירויות בין השדות האופטיים לעומת הפרש התדירויות בין הרמות ישנה השפעה רבה על המצב החשוך ולכן תופעות קוהרנטיות אלה הינן בעלות רזולוציה גבוהה. ספקטרוסקופיה ברזולוציה גבוהה זו בעלת יישומים רבים כגון: מטרולוגיה, שעונים אטומים, מגנטומטריה, מידע קוונטי, שימור והאטת אור ועוד. שיפורים נוספים בדיוק המדידות הספקטרליות דורשים מימוש תהודת לכידות אוכלוסייה קוהרנטית עם פרמטרים אופטימליים, כגון משרעת וניגודיות גדולה יותר ורוחב קו צר יותר.

מקורות

• Stephen Barnett, Paul M. Radmore, "Methods in Theoretical Quantum Optics", Oxford University Presse

קישורים חיצוניים

• לכידות אוכלוסייה קוהרנטית באטומי רובידיום

ערך זה הוא יתום, כלומר אין ערכים במכלול שמקשרים אליו. אתם מוזמנים לתרום למכלול ולקשר אליו מכמה מהערכים שמכילים את המונח "לכידות אוכלוסייה קוהרנטית".