Управление оптическими свойствами атомных ансамблей в системах пониженной размерности

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-72-10004

НазваниеУправление оптическими свойствами атомных ансамблей в системах пониженной размерности

Руководитель Курапцев Алексей Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-304 - Спектроскопия

Ключевые слова атомные ансамбли, системы пониженной размерности, оптический резонатор, волновод, Лэмбовский сдвиг, спонтанный распад, диполь-дипольное взаимодействие, коллективные эффекты

Код ГРНТИ29.31.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основной целью настоящего проекта является разработка последовательной и самосогласованной квантовой теории взаимодействия многоатомных ансамблей в системах пониженной размерности с электромагнитным полем, включая вакуумный термостат. Интерес к атомным системам пониженной размерности обусловлен, прежде всего, тем, что эти объекты в настоящее время считаются весьма перспективными для развития целого ряда квантово-информационных технологий. Это связано с тем, что использование атомных ансамблей пониженной размерности (квазидвумерных и квазиодномерных), как правило, предполагает их связь с резонаторными или волноводными структурами, модифицирующими характер взаимодействия атомов с электромагнитным полем. Контролируемое изменение параметров резонатора или волновода открывает новые возможности для приготовления атомных систем с заданными оптическими свойствами и управления этими свойствами. Данные возможности обусловлены как воздействием на оптические характеристики отдельных атомов, так и модификацией характера межатомного диполь-дипольного взаимодействия и связанных с ним коллективных эффектов. Это вызывает широкий интерес в различных областях квантовой физики, в частности, для хранения и обработки квантовой информации; для развития квантово-информационных устройств, основанных на атомных системах в резонаторе или волноводе, таких как однофотонные переключатели, роутеры, транзисторы, генераторы частотных гребенок и однофотонные преобразователи частоты. Центральной фундаментальной задачей проекта является расчет Лэмбовских сдвигов энергетических уровней атомов, находящихся в резонаторе или в волноводе. Важность решения данной задачи для достижения цели проекта состоит в следующем. Пространственная структура собственных мод электромагнитного поля в резонаторе или в волноводе существенно отличается от собственных мод свободного пространства вследствие наличия границ. Это неизбежно приводит к тому, что характер взаимодействия атомов с электромагнитным полем в системах пониженной размерности также является модифицированным. Как следствие, изменяется скорость спонтанного распада возбужденных состояний атомов, Лэмбовские сдвиги атомных уровней, а также диполь-дипольное взаимодействие между различными атомами. Причем изменение характера диполь-дипольного взаимодействия и связанных с ним коллективных эффектов может влиять на оптические свойства среды значительнее, чем изменение одноатомной восприимчивости. В различных научных группах, которые занимаются оптикой многоатомных ансамблей, для описания взаимодействия атомов с электромагнитным полем используются подходы, в основе которых лежит модель связанных осциллирующих диполей. Эта модель позволяет рассчитать скорость спонтанного распада возбужденных состояний атомов, а также константу диполь-дипольного взаимодействия, однако она не позволяет рассчитать Лэмбовский сдвиг (причиной этого является проблема расходимости). Данная проблема является достаточно известной, и она дала импульс для разработки теории перенормировок в квантовой электродинамике. Стоит отметить, что для описания атомных ансамблей, находящихся в свободном пространстве, вопрос Лэмбовских сдвигов в большинстве задач не является столь существенным. Это связано с тем, что в свободном пространстве у различных атомов Лэмбовские сдвиги соответствующих уровней являются одинаковыми; кроме того Лэмбовские сдвиги различных зеемановских и свертонких подуровней каждого атома также совпадают. Таким образом, для свободного пространства Лэмбовские сдвиги основного и возбужденного состояний атомов могут просто считаться включенными в определение резонансной частоты атомного перехода, как обычно и поступают в расчетах, описанных в литературе. При изучении атомных ансамблей пониженной размерности, расположенных в резонаторе или волноводе, такой приём в общем случае не работает. Вследствие модифицированной структуры мод электромагнитного поля, скорость спонтанного распада и Лэмбовские сдвиги уровней становятся зависящими от пространственного положения атома. Более того, различные зеемановские подуровни одного и того же атома претерпевают разный Лэмбовский сдвиг, т.е. появляется расщепление мультиплета основного и/или возбужденного состояний. Всё это существенно влияет на характер межатомного диполь-дипольного взаимодействия и, как следствие, на оптические свойства среды. Таким образом, подводя итог, мы можем заключить, что учет Лэмбовских сдвигов является необходимым для построения корректной общей теории взаимодействия атомных ансамблей с электромагнитным полем в резонаторе или волноводе. Научная новизна предлагаемых исследований состоит в самой постановке задачи, а также в методах исследования и, разумеется, в запланированных результатах. Главной особенностью настоящего проекта, которая, по сути, определяет его новизну, является идея об анализе влияния пространственно-зависимых Лэмбовских сдвигов в резонаторе или в волноводе на характер многочастичных кооперативных эффектов, вызванных диполь-дипольным взаимодействием, и, как следствие, на оптические свойства атомного ансамбля. Новизна методов исследования состоит в сочетании квантового микроскопического подхода, разработанного на основе модели связанных осциллирующих диполей для описания коллективных эффектов в многоатомных ансамблях, и квантово-электродинамического метода Бете для расчета Лэмбовских сдвигов в рамках единого формализма. Освещая предмет научной новизны запланированных результатов, выделим наиболее важные из них: 1) Будет рассчитан не только Лэмбовский сдвиг основного и возбужденного состояний атомов в резонаторе или волноводе, но также и расщепление уровней, вызванное разницей Лэмбовских сдвигов различных зеемановских подуровней сверхтонкой структуры; 2) Будет проанализирована зависимость Лэмбовских сдвигов, а также указанного в предыдущем пункте расщепления уровней, от пространственного положения атома в резонаторе или в волноводе; 3) Будет проанализировано влияние пространственно-зависимых Лэмбовских сдвигов на межатомное диполь-дипольное взаимодействие и, как следствие, на многоатомные коллективные эффекты; 4) Будут рассчитаны оптические характеристики атомного ансамбля, находящегося в постоянном электрическом и/или магнитном поле в резонаторе или в волноводе. Подчеркнем, что учёт межатомного диполь-дипольного взаимодействия в ансамблях пониженной размерности во многих случаях является принципиально важным даже при малой атомной плотности. В частности, наши предварительные исследования показывают, что в одномодовом волноводе диполь-дипольное взаимодействие является существенно дальнодействующим, и может оказывать значительное влияние на оптические свойства среды даже при очень больших значениях среднего межатомного расстояния, многократно превосходящих длину волны резонансного излучения. Успешное решение поставленных задач позволит нам предложить способы управления оптическим свойствами рассматриваемых атомных ансамблей при помощи изменения геометрических параметров резонатора или волновода, а также за счет внешнего постоянного электрического и/или магнитного поля.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. А.С. Курапцев, И.М. Соколов РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА В ТРЕХМЕРНОМ НЕУПОРЯДОЧЕННОМ АТОМНОМ АНСАМБЛЕ В ВОЛНОВОДЕ XII международный симпозиум по фотонному эхо и когерентной спектроскопии (ФЭКС-2021) памяти профессора Виталия Владимировича САМАРЦЕВА: Сборник тезисов., стр. 179 - 180 (год публикации - 2021)

2. Курапцев А.С., Баранцев К.А., Литвинов А.Н., Волошин Г.В., Мэн Хуэй, Соколов И.М. Giant Cooperative Lamb Shift in a Waveguide 2021 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), pp. 190-192 (год публикации - 2021)
10.1109/EExPolytech53083.2021.9614794

3. Баранцев К.А., Литвинов А.Н. Autobalanced spectroscopy of CPT resonance in optically dense atomic ensemble Journal of the Optical Society of America B: Optical Physics (год публикации - 2021)
10.1364/JOSAB.431159

4. Пленение излучения в трехмерном неупорядоченном атомном ансамбле в волноводе Пленение излучения в трехмерном неупорядоченном атомном ансамбле в волноводе ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ (год публикации - 2022)
10.31857/S0367676522060187

5. Курапцев А.С., Соколов И.М. Light propagation in a random three-dimensional ensemble of point scatterers in a waveguide: Size-dependent switching between diffuse radiation transfer and Anderson localization of light PHYSICAL REVIEW A, Volume 105, Issue 6, June 2022, Номер статьи 063513 (год публикации - 2022)
10.1103/PhysRevA.105.063513

6. Курапцев А.С., Мэн Хуэй Quantum Optics of Polyatomic Ensembles in a Waveguide 2022 International Conference Laser Optics, ICLO 2022 - Proceedings, 2022 International Conference Laser Optics, ICLO 2022; St. Petersburg; Russian Federation; 20 June 2022 до 24 June 2022; Номер категорииCFP2236X-ART; Код 181770 (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9840314

7. Курапцев А.С., Баранцев К.А., Литвинов А.Н., Волошин Г.В., Мэн Хуэй, Соколов И.М. Light Interaction with Individual Impurity Atoms in a Waveguide 2022 International Conference Laser Optics, ICLO 2022 - Proceedings, 2022 International Conference Laser Optics, ICLO 2022; St. Petersburg; Russian Federation; 20 June 2022 до 24 June 2022; Номер категорииCFP2236X-ART; Код 181770 (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9840016

8. Волошин Г.В., Литвинов А.Н., Баранцев К.А., Курапцев А.С. Optical properties of optically dense medium of alkali atoms having a nonzero temperature under conditions of coherent population trapping resonance detected by the Ramsey method 2022 International Conference Laser Optics, ICLO 2022 - Proceedings, 2022 International Conference Laser Optics, ICLO 2022; St. Petersburg; Russian Federation; 20 June 2022 до 24 June 2022; Номер категорииCFP2236X-ART; Код 181770 (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9840218

9. Курапцев А.С. Light transport in a random ensemble of resonant atoms in a waveguide: Anderson localization of light v.s. diffuse radiation transfer XVIII International Feofilov Symposium on Spectroscopy of Crystals Doped with Rare Earth and Transition Metal Ions (IFS-2022). Book of abstracts., XVIII International Feofilov Symposium on Spectroscopy of Crystals Doped with Rare Earth and Transition Metal Ions (IFS-2022). Book of abstracts. August 22-27, 2022. Moscow, Russia. – Moscow: Trovant, 2022. – 191 p., P. 73 (год публикации - 2022)

10. Курапцев А.С., Соколов И.М. Spatially dependent Lamb shift in a waveguide and its influence on the optical polyatomic cooperative effects PHYSICAL REVIEW A, Volume 107, Номер статьи 042808 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevA.107.042808

11. Курапцев А.С., Соколов И.М. Motional effects in dynamics of fluorescence of cold atomic ensembles excited by resonance pulse radiation PHYSICAL REVIEW A, Vol. 108, Art. No. 032814 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevA.108.032814

12. Аммосов А.П., Волошин Г.В., Фофанов Я.А., Соколов И.М. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ АТОМОВ СЛУЧАЙНЫМИ СДВИГАМИ ЧАСТОТ ПЕРЕХОДОВ В МЕТОДЕ СВЯЗАННЫХ ОСЦИЛЛЯТОРОВ Известия Российской академии наук. Серия физическая (год публикации - 2024)

Публикации