Разработка новых эффективных методов лазерного охлаждения атомов и ионов

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 23-22-00198

НазваниеРазработка новых эффективных методов лазерного охлаждения атомов и ионов

Руководитель Прудников Олег Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

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

Ключевые слова оптические стандарты частоты, атомные интерферометры, квантовыее сенсоры на основе холодных атомов, лазерное охлаждение

Код ГРНТИ29.33.49

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Недочетом множества теоретических работ в области лазерного охлаждения атомов и ионов является, как правило, исключительно поиск стационарного решения кинетической задачи с наименьшими достижимыми температурами. При этом, анализ динамических характеристик часто выпадает из рассмотрения в силу сложности решения подобных задач. Тем не менее, для большинства экспериментов важным является реализация методов, приводящих не только к малым температурам, но и обеспечивающих достаточно быстрое лазерное охлаждение. Основной задачей является разработка и исследование новых методов эффективного охлаждения атомов и ионов, с использование как монохроматических, так и комбинации бихроматических световых полей. Развитие методы планируется опробовать для реализации второй стадии глубокого лазерного охлаждения атомов магния в оптической решетке, ионов иттербия в радиочастотной ловушке. Можно выделить несколько примеров, позволяющих описать актуальность проекта: 1) реализация второй стадии глубокого охлаждения нейтральных атомов (Ca, Sr, Mg) с использованием узкого оптического перехода 1S0 – 3P1 для захвата в оптическую решетку для создания оптических стандартов частоты. Требуемые температуры охлаждения порядка 100 мК определяются глубиной оптической решетки. При этом стандартные методы доплеровского охлаждения оказываются малоэффективными, т.к. время охлаждения возрастает обратно пропорционально ширине линии перехода [O. N. Prudnikov, et al PRA 99, 023427 (2019)]. Поиск новых эффективных методов глубокого лазерного охлаждения для захвата атомов является актуальной задачей для создания высокоточных стандартов частоты на основе нейтральных атомов. Решение данной задачи могло бы способствовать возобновлению работ по созданию высокоточных стандартов частоты на основе Mg (имеющего минимальный BBR сдвиг). 2) Аналогичные задачи возникают и в проектах по созданию высокоточных стандартов на основе ионов в радиочастотных ловушках. Так для иона Yb использование методов доплеровского охлаждения позволяет достигать температур порядка 1-2 мК, что недостаточно для подавления сдвигов вызванных квадратичным эффектом Доплера. Использование переходов с узкими линиями являются малоэффективным в силу малых скоростей лазерного охлаждения. Поиск новых методов, включая применение комбинации бихроматических полей могло бы способствовать прогрессу в реализации современных оптических стандартов частоты. 3) создание интенсивных источников холодных атомов с высокой фазовой плотностью является ключевой проблемой при создании квантовых сенсоров на основе атомных интерферометров (гравиметров, акселерометров и гироскопов, детекторов гравитационных волн в низкочастотной области спектра). Квантовые пределы точности таких приборов, определяемые интерференцией волн материи, существенно превышают пределы их классических аналогов на основе оптической интерференции, что привело к бурному росту исследований в данной области. Поскольку ошибка измерений, как правило, обратно пропорциональна корню числа атомов в области интерференции, то развитие новых методов быстрого и одновременно глубокого лазерного охлаждения атомов является достаточно актуальной задачей для развития данного направления науки. Оригинальность и научная новизна заключается в использовании ненасыщаемых дипольных сил, возникающих в бихроматических полях для реализации эффективного охлаждения. Данные силы возникают в результате вынужденного переизлучении фотонов между различными модами и, в отличие от сил спонтанного светового давления, характеризуются высокой скоростью обмена импульсом. Реализация диссипативных механизмов, аналогичных «Сизифовскому трению», но в бихроматических полях, рассматривается нами перспективным направлением для реализации второй стадии лазерного охлаждения. Решение данной задачи является актуальной для дальнейшего прогресса в области создания современных стандартов частоты, а также улучшения характеристик квантовых сенсоров на основе атомных интерферометров.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Крысенко Д.С., Прудников О.Н. Охлаждение иона иттербия-171 в полихроматическом поле Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, т.6, вып.2(8), стр. 273-281 (год публикации - 2023)
10.31857/S004445102308014X

2. Кулоса А.П., Прудников О.Н., Вадлеш Д., Фурст Х.А., Кирпичникова А.А., Тайченачев А.В., Юдин В.И., Мештоблер Т.Е. Systematic study of tunable laser cooling for trapped-ion experiments IOP Publishing, New J. Phys. v.25, 053008 (2023) (год публикации - 2023)
10.1088/1367-2630/acd13b

3. Ильенков Р.Я., Прудников О.Н., Кирпичникова А.А., Тайченачев А.В., Юдин В.И. Laser Cooling of Lithium-6 Atoms in a Bichromatic Light Field Journal of Experimental and Theoretical Physics, ЖЭТФ, том 164, вып. 2 (8), стр. 262–272 (2023) (год публикации - 2023)
10.1134/S1063776123080058

4. Крысенко Д.С., Прудников О.Н., Тайченачев А.В., Юдин В.И., Чепуров С.В., Багаев С.Н. Ground-state electromagnetically-induced-transparency cooling of 171Yb+ ions in a polychromatic field American Physical Society, PHYSICAL REVIEW A 108, 043114 (2023) (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevA.108.043114

5. Прудников О.Н., Ильенков Р. Я., Тайченачев А.В., Юдин В.И., Багаев С.Н. Deep macroscopic pure-optical potential for laser cooling and trapping of neutral atoms American Physical Society, Phys. Rev. A 108, 043107 (2023) (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevA.108.043107

6. Крысенко Д.С., Прудников О.Н., Тайченачев А.В., Юдин В.И., Чепуров С.В., Багаев С.Н. Ground state EIT cooling of 171Yb+ ion Cornell University, arXiv:2307.00864 (год публикации - 2023)

7. Прудников О.Н., Ильенков Р.Я., Тайченачев А.В., Юдин В.И., Багаев С.Н. Dissipative pure-optical trap for laser cooling and trapping of neutral atoms Cornell University, arxiv.org/abs/2306.13294 (год публикации - 2023)

8. Прудников О.Н., Крысенко Д.С., Тайченачев А.В., Юдин В.И., Чепуров С.В., Багаев С.Н. Two-stage deep laser cooling of Yb-171 ion in a radio frequency trap without using a magnetic field IEEE, International Conference Laser Optics (ICLO), Saint Petersburg, Russian Federation, 2024, pp. 324-324 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1109/ICLO59702.2024.10624005

9. Ильенков Р.Я. , Прудников О.Н., Тайченачев А.В., Юдин В.И. Limits of Laser Cooling of Light Alkali Metals in a Polychromatic Light Field Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Vol. 88, No. 7, pp. 1034–1040 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1134/S1062873824707037

10. Прудников О.Н., Крысенко Д.С., Тайченачев А.В., Юдин В.И., Чепуров С.В., Лапин Н.С., Багаев С.Н. ЛАЗЕРНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ИОНА ИТТЕРБИЯ-171 БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Журнал экспериментальной и теоретической физики , том 166, выпуск 4 (10), стр. 556–565 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.31857/S0044451024100122

11. Кирпичникова А.А., Ильенков Р.Я., Прудников О.Н. Two-temperature distribution in task of laser cooling in fields with a polarisation gradient of atoms IEEE, 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), Saint Petersburg, Russian Federation, 2024, pp. 439-439 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1109/ICLO59702.2024.10623951

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках работ по проекту представлены новые схемы лазерного охлаждения нейтральных атомов (щелочных, щелочноземельных и им подобных элементов) и иона иттербия-171 в радиочастотной ловушке исключающих использование магнитного поля для применения в прецизионных квантовых сенсорах и оптических стандартах частоты. В рамках проекта представлена идея реализации глубокой макроскопической ловушки для нейтральных атомов на основе диссипативной бихроматической оптической решетки. Действие глубокой диссипативной ловушки для нейтральных атомов основано на сочетании двух эффектов: эффекта выпрямления дипольной силы в бихроматическом поле, впервые предсказанный в работах [1,2] и наличие диссипативных механизмов лазерного охлаждения атомов в бихроматическом поле [3,4]. Пространственное биение оптических сдвигов уровней в бихроматическом поле позволяет создавать макроскопический потенциал с периодом Lambda = \pi/|\Delta k|, где \Delta k=k_2-k_1 разность волновых векторов частотных компонент бихроматического поля. При выборе разности частот в интервале 5 - 30 ГГц макроскопический период оптической ловушки имеет сантиметровый масштаб, что позволяет достигать субмиллиметровых размеров облака захваченных атомов. На примере атомов лития показано, что для формирования глубокого оптический потенциала с макроскопическим периодом сантиметрового масштаба, обеспечивающим захват и охлаждение атомов достаточно использовать волны малой интенсивности I~ 5 mW/cm^2. Анализ, проведенный в рамках одночастичного приближения показал, что температура лазерного охлаждения может достигать значений сравнимых и ниже доплеровского предела ~140 muK для атомов лития). При этом, область локализации захваченных атомов, также, как и в МОЛ, достигает субмилиметровых величин, а число атомов сравнимо с числом, захватываемым в магнитооптических ловушках. Проведенный анализ и полученные результаты позволили сформировать новую концепцию «ячейки холодных атомов». При этом размер ловушки определяется пространственным биением используемых световых полей и при разности частот 5-30 ГГц достигает сантиметровых масштабов, а глубина оптического потенциала сопоставима с глубиной магнито-оптических ловушек. Представленная нами концепция «ячейки холодных атомов» является альтернативой стандартным магнито-оптическим ловушкам и ее развитие представляет интерес при создании компактных квантовых сенсоров где область лазерного охлаждения атомов совпадает с областью опроса квантовой системы. При этом, отсутствие необходимости выноса холодных атомов из области лазерного охлаждения позволяет существенно снизить потери в числе холодных атомов, а значит увеличить чувствительность квантовой системы. Представленная идея формирования полностью оптической глубокой диссипативной ловушки с макроскопическим потенциалом может быть обобщена и для других нейтральных атомов щелочных и щелочноземельных и им подобных элементов. Например, для атомов Rb и Cs в качестве резонансных переходов для двух частотных компонент могут быть использованы различные переходы между сверхтонкими компонентами D2 линии. Для этих элементов период макроскопического потенциала будет определяться в основном расщеплением между сверхтонкими компонентами основного состояния ^2S_{1/2} и составит: Lambda~ 4.9см для 85Rb, Lambda~2.2см для 87Rb и Lambda~ 1.6см для 133Cs. Также, для нечетных изотопов атомов ртути 199Hg и 201Hg можно использовать интеркомбинационный переход ^1S_0 \to ^3P_1 (\lambda = 253.7 нм, \gamma/2\pi = 1.3МГц), где сверхтонкое расщепление верхнего уровня ^3P_1 превышает 20ГГц, что позволяет создавать бихроматическую решетку с макроскопическим периодом \Lambda~ 0.7 см. Проведен детальный анализ глубокого лазерного охлаждения в бихроматических полях, и выделены условия, при которых возможно достижение субдоплеровских температур лазерного охлаждения атомов в бихроматическом лазерном поле. Результаты работ опубликованы [5]. Представлена новая схема лазерного охлаждения иона иттербия-171 исключающая использование магнитного поля для создания оптического стандарта частоты [6]. Исключение магнитного поля в цикле охлаждение-опрос квантовой системы позволяет существенно подавить сдвиги в частоте оптического перехода связанные с воздействием магнитного поля и неопределенности в частоте, связанные с флуктуацией остаточного магнитного поля при его выключении после цикла охлаждения в стандартных схемах охлаждения. Отметим, что сдвиги частоты перехода, вызванные остаточным магнитным полем при использовании стандартной схемы лазерного охлаждения имеют порядок dw/w~4x10^{-17}, а их относительная неопределенность, связанная с флуктуацией магнитного поля в различных циклах охлаждение-опрос ~10^{-18}. Представленная новая схема лазерного охлаждения позволит подавить указанные сдвиги от магнитного поля до уровней ~10^{-18}-10^{-19}, что является необходимым этапом для повышения точности современных оптических стандартов частоты. 1. A. P. Kazantzev and I. V. Krasnov, JETP Lett. 46, 420 (1987) 2. R. Grimm, Y. B. Ovchinnikov, A. I. Sidorov, and V. S. Letokhov, Phys. Rev. Lett. 65, 1415 (1990) 3. O. N. Prudnikov , A. S. Baklanov, A. V. Taichenachev, A. M. Tumaikin, V. I. Yudin, Kinetics of atoms in a bichromatic field, JETP, 117, 222-231 (2013) 4. O N Prudnikov, A V Taichenachev, V I Yudin, Kinetics of atoms in a bichromatic field formed by elliptically polarised waves, Quantum Electronics, 47, 438–445, (2017) 5. R.Y. Ilenkov, O.N. Prudnikov, A.V. Taichenachev, et al. “Limits of Laser Cooling of Light Alkali Metals in a Polychromatic Light Field”, Bull. Russ. Acad. Sci. Phys., v.88, 1034–1040 (2024) 6. О.Н. Прудников, Д.С. Крысенко, А.В. Тайченачев, В.И. Юдин, С.В. Чепуров, Н.С. Лапин, С.Н. Багаев «Лазерное охлаждение иона иттербия-171 без использования магнитного поля» ЖЭТФ, т.166, вып.4, стр. 556 (2024)

Публикации

Возможность практического использования результатов
Представленные результаты формируют научно-технический задел в направлениях, связанных с развитием нового поколения прецизионных квантовых сенсоров и оптических стандартов частоты на основе холодных атомов.