549_Sovremennye_problemy_telekommunikatsij_
.pdfЛитература
1.Миногин В.Г., Летохов В.С. //Давление лазерного излучения на атомы. Москва, 1986. 224
C.
2.Казанцев А.П., Сурдутович Г.И., Яковлев В.П.// Механическое действие света на атомы.
Москва 1991. 190 C.
3.Cohen-Tannoudji C. // Atomic motion in laser light. Paris, 1992. 164 P.
4.А.П. Казанцев, Резонансное световое давление, // УФН 124, 113-144 (1978).
5.10. R.J. Cook, Theory of resonance-radiation pressure, // Phys. Rev. A 22, 1078-1098 (1980).
6.В.Г. Миногин, Кинетическое уравнение для атомов, взаимодействующих с лазерным излучением, // ЖЭТФ, 79, 2044-2056 (1980).
7.A. Aspect, E. Arimondo, R. Kaiser, N. Vansteenkiste, and C. Cohen-Tannoudji, Laser cooling below the one-photon recoil energy by velocity selective coherent population trapping, // Phys. Rev. Lett. 61, 826-829 (1988).
8.J. Hack, L. Liu, M. Olshanii, H. Metcalf,// Phys. Rev. A 62, 013405 (2000).
9.S. M. Yoo, J. Javanainen Wigner-function approach to laser cooling in the recoil limit, // J.
Opt. Soc. Am. B 8, 1341-1347 (1991).
10.Y. Castin and J. Dalibard Quantization of Atomic Motion in Optical Molasses // Europhys. Lett. 14, 761 (1991).
11.K. Berg-Sorensen, Y. Castin, K. Molmer and J. Dalibard Cooling and Tunnelling of Atoms in a
2D Laser Field // Europhys. Lett. 22, 663 (1993).
12.J.Guo and P.Berman, Phys. Rew. A 48, 3225 (1993).
13.Y. Castin, K. Berg-Sorensen, J. Dalibard, and K. Molmer, Two Dimensional Sisyphus Cooling,
//Phy, Rev. A 50, 5092 (1994).
14.Прудников О.Н., Ильенков Р.Я., Тайченачев А.В., Тумайкин А.М., Юдин В.И. // ЖЭТФ. 2011. Т. 139, В. 6. C. 1074-1080.
15.Taichenachev A. V., Tumaikin A. M., Yudyn V. I., Hollberg L. Two-dimensional sideband Raman cooling and Zeeman state preparation in an optical lattice // Phys. Rev. A. – 2001. – V. 63, I. 3. – P. 033402.
Ильенков Роман Ярославович
научный сотрудник Лаборатории физики оптических явлений НИЧ НГУ (630090,
г. Новосибирск, ул. Пирогова, д. 2), e-mail: ilenkov.roman@gmail.com
Тайченачев Алексей Владимирович
д.ф.-м.н., заместитель директора по научной работе ИЛФ СО РАН (630090, г. Ново-
сбирск, пр-т Академика Лаврентьева, д. 13/3), e-mail: taichenachev@hotmail.ru
Юдин Валерий Иванович
д.ф.-м.н., главный научный сотрудник Лаборатории физики оптических явлений НИЧ НГУ (630090, г. Новосибирск, ул. Пирогова, д. 2), e-mail: viyudin@mail.ru
A statistical approach to the quantum problem of laser cooling
R.Y. Ilenkov, V.I. Yudin, A.V. Taichenachev
The statistical approach, which provides information on the cooling time of the atomic ensemble without directly solving a dynamic problem was developed. The method has been implemented as a quantum approach taking into account the recoil effects and localization of atoms,
514
же при выполнении этих условий секулярное приближение хорошо выполняется лишь для нижних колебательных уровней оптического потенциала и нарушается для более высоких, где расстояние между колебательными уровнями становится меньшим вследствие эффектов ангармонизма, и для атомов совершающих надбарьерное движение. Отмечу, что для удобства все параметры задачи были обезразмерены ( 1). O - частота Раби, d - отстройка, wr -
энергия отдачи.
Нами был разработан квантовый подход, позволяющий полностью учесть влияние эффектов отдачи и локализации атомов в световых полях [10]. Было проведено сравнение стационарных импульсных распределений полученных двумя методами: квазиклассическим (с учетом зависимости силы и диффузии от скорости атомов), и квантовым (с полным учетом эффектов отдачи и локализации атомов).
2. Границы применимости квазиклассического подхода
Целями данной работы было точнее определить границы применимости квазиклассического приближения и исследовать квантовые режимы. Частота отдачи - основной параметр, ограничивающий применимость квазиклассического подхода. В слабом поле (см. Рис. 1.) отличия в стационарных распределениях начинают проявляться при wr 0.8 , и состоят в том,
что на крыльях распределения появляются узкие структуры, шириной порядка импульса одного фотона. При дальнейшем увеличении отдачи тонкие структуры, дискретно расположенные в точках, соответствующих нескольким импульсам отдачи, становятся более выраженными, а их число растѐт.
Рис.1 Импульсные распределения атомов полученные квантовым (а) и квазиклассическим методом (б), при различной энергии отдачи (указаны на графиках). Прочие параметры задачи: O 0.01 d 1
Далее, было проведено сравнение импульсных распределений при различных частотах Раби (см. Рис.2), что дало интересные, и достаточно неожиданные результаты. Видно, что начиная с частоты Раби O 0.2 , проявляется заметное различие в форме импульсных распределений. Распределения, полученные квантовым методом, становятся шире соответствующих квазиклассических распределений и меняют свою форму. Они становятся более широким, по сравнению с квазиклассическими, кроме того, в области малых импульсов появляется плоская полочка, которая при увеличении интенсивности начинает разъезжаться на два симметричных пика. Данный эффект можно связать с тем, что квазиклассический подход не учитывает локализацию атомов, в отличие от разработанного квантового.
517
Рис.2 Импульсные распределения атомов полученные квантовым (а) и квазиклассическим методом, при различных частотах Раби (указаны на графиках). Прочие параметры задачи:
d 1 wr 0.001
Вариации частоты отдачи, в свою очередь, не приводит к заметным отличиям импульсных распределений.
3. Квантовый режим
Как стало ясно из сравнительного исследования результатов квантового и квазиклассического подходов, квазиклассический подход не описывает не только область большой отдачи, но так же и область сильного светового поля (глубоких оптических потенциалов). Это заставило более внимательно исследовать различные комбинации частоты Раби и частоты отдачи. Так же было проведено сравнение с результатами других автором [11,12]. В некоторых случаях разработанный метод показал себя более точным, т.к. мог описывать те режимы, в которых предложенные методы давали физически недостоверный результат (например, отрицательную плотность вероятности).
В слабом поле при малой отдаче можно наблюдать обыкновенные колоколобразные структуры (Рис.3a) близкие к предсказаниям квазиклассического подхода [2]. При увеличении энергии отдачи (Рис.3б), проявляются узкие квантовые структуры, и форма распределения становится заметно не гауссовой.
Рис.3 Импульсные распределения атомов полученные квантовым методом при различных параметрах отдачи, малой (а) и большей (б). Прочие параметры задачи: O 0.1 d 1/ 2
В сильном поле и при малой отдаче, получаются уже знакомые импульсные распределения с плоской вершиной (рис.4а), однако, даже здесь видно, что при увеличении отдачи на этой "полочке" появляется множество малых пиков, расположенных на вполне определѐн-
518
ных положениях, соответствующих одному или нескольким импульсам фотона (n k , где n 5....5). В режиме большой отдачи (рис.4б), видно, что эти тонкие структуры становятся все более контрастными, и провялятся на краях импульсного распределения, все так же соответствуя нескольким импульсам фотона. Исходя из полученных данных, было сделано предположение о том, что данные структуры являются проявлением селективного по скорости когерентного пленения населенностей, которое может проявляться только в существенно квантовом случае [13].
Рис.4 Импульсные распределения атомов полученные квантовым методом при различных параметрах отдачи, малой (а) и большей (б). Прочие параметры задачи: O 1 d 1/ 2
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (государственное задание №2014/139 проект №825); РФФИ (гранты № 14-02-00712, № 14-02- 00939, № 15-02-08377, № 15-32-20330). Р. Я. Ильенков поддержан Фондом Дмитрия Зимина «Династия».
Литература
1.Миногин В.Г., Летохов В.С. //Давление лазерного излучения на атомы. Москва, 1986. 224
C.
2.Казанцев А.П., Сурдутович Г.И., Яковлев В.П.// Механическое действие света на атомы. Москва 1991. 190 C.
3.Cohen-Tannoudji C. // Atomic motion in laser light. Paris, 1992. 164 P.
4.Bloom B. J., Nicholson T. L., Williams J. R., Campbell S. L., Bishof M., Zhang X, Zhang W., Bromley S. L., Ye J. // Nature 2014. V. 506, I. 7486 P.71-75
5.Dalibard J., Cohen-Tannoudji C. // JOSA B 1985. V.2, I.11. P. 1707-1720.
6.Cook R. J. // Phys. Rev. A 1979. V. 20, I. 1. P. 224-228.
7.Gordon J. P., Ashkin A. // Phys. Rev. A 1980. V. 21, I. 5. P. 1606-1617.
8.Миногин В.Г. // ЖЭТФ. 1980. Т. 79. C. 2044-2056.
9.A. Aspect, E. Arimondo, R. Kaiser, N. Vansteenkiste, and C. Cohen-Tannoudji, Laser cooling below the one-photon recoil energy by velocity selective coherent population trapping, // Phys. Rev. Lett. 61, 826-829 (1988).
10.Прудников О.Н., Ильенков Р.Я., Тайченачев А.В., Тумайкин А.М., Юдин В.И. // ЖЭТФ. 2011. Т. 139, В. 6. C. 1074-1080.
11.M.R. Doery, E.J.D. Vredenbregt, T. Bergeman, // Phys. Rev. A 51, 4881 (1995).
12.S. M. Yoo, J. Javanainen, Wigner-function approach to laser cooling in the recoil limit, // J. Opt. Soc. Am. B 8, 1341-1347 (1991).
519
13.Д.В. Бражников, Р.Я. Ильенков, О.Н. Прудников, А.В. Тайченачев, В.И. Юдин, А.Н. Гон-
чаров, А.М. Шилов, Стационарные распределения атомов в поле сильной стоячей световой волны. // Ученые записки казанского университета, т.155, 16-22, (2013)
Ильенков Роман Ярославович
научный сотрудник Лаборатории физики оптических явлений НИЧ НГУ (630090,
г. Новосибирск, ул. Пирогова, д. 2), e-mail: ilenkov.roman@gmail.com
Тайченачев Алексей Владимирович
д.ф.-м.н., заместитель директора по научной работе ИЛФ СО РАН (630090, г. Ново-
сбирск, пр-т Академика Лаврентьева, д. 13/3), e-mail: taichenachev@hotmail.ru
Юдин Валерий Иванович
д.ф.-м.н., главный научный сотрудник Лаборатории физики оптических явлений НИЧ НГУ (630090, г. Новосибирск, ул. Пирогова, д. 2), e-mail: viyudin@mail.ru
Quantum regimes of laser cooling of two-level atoms
R.Y. Ilenkov, V.I. Yudin, A.V. Taichenachev
Developed a quantum approach, which allows to take into account the recoil effects and localization of atoms. A detailed comparison of the momentum distributions of atoms obtained in quantum and semiclassical approaches. Limits of applicability of the semiclassical approach have been established. In the quantum regime were found fine structures with width of the order of one photon momentum, which can be interpreted as a manifestation of coherent population trapping.
520