MIKROMÉZER

egy atom és egyfoton erős kölcsönhatása

• lézer: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation• mézer: Microwave Ampl……… (előbb volt)

Az atom átrepül a fotont tartalmazó rezonátoron –• erős kölcsönhatás kell, hogy azalatt történjen valami• jó rezonátor kell, hogy azalatt a foton koherens maradjon

Nagy a dipólmomentum, ha magasan gerjesztett állapot

n»1: Rydberg-állapotok messze az atomtörzstől: hidrogén-szerű

nagy d

nagy E

cirkuláris Rydberg-állapotok:sima, hosszú élettartam ~ 0.03 s

n=50, 51: átmenetek mikrohullámban (10-100 GHz)

• Rezonátor szupravezető nióbiumból, 0.5 K alatt:

atomforrás(kályha)

cirkulárisRydbergpreparálódoboz(bonyolult!)

nagy jóságú, nyitottFabry-Perot rezonátor(„ÜREG”)

gyenge (1-10 foton) mikrohullámú forrás

ionizációs detektorok:

az első a gerjesztett,

a második az alap-állapotra élesítve

nagy E: egy foton elektromos tere akkor erős, ha a foton-módus térfogata kicsi (lásd: elmélet)

1 módusrezonálaz atomra

CAVITY QED

Serge HAROCHEés csapata,École NormaleSupérieure, Párizs1990-es évek

e g

)

Cirkuláris Rydberg-atomok (n nagy, |m| = n-1)

• nagy dipólmomentum• egyetlen dipól-megengedett bomlás: n →n-1, |m|→|m|-1, emiatt hosszú élettartam: 0.03 s• gyenge Stark-effektus: szórt elektromos terekre érzéketlen

Preparálás: lassan csökkenő („adiabatikus”) Stark-térben gyors optikai átmenetek

m (Stark-szintek: lineáris + kvadratikus)

t

hν besugárzás

n-1

4

3

2 1

Hulet és Kleppner,PRL 1983

ELMÉLET

1 foton elektromos tere: nagy, ha V kicsi

módusfüggvény

Elhanyagoljuk, ami egy lépésben sérti az energiamegmaradást: „FORGÓHULLÁM-KÖZELÍTÉS” (lásd: neutron-spinforgatás)

A forgóhullám-közelítéssel már csak két állapot kapcsolódik össze: gerjesztett atom n fotonnal ////// alapállapotú atom n+1 fotonnal

Válasszuk most ezeket a „felöltözött állapotokat” új bázisnak:

Használva még, hogy ,

amit trükkösen így írhatunk:

emlékeztetőnek:

foton atom

JAYNES-CUMMINGS MODELL

1) Kísérlet pontos rezonanciában: RABI-OSZCILLÁCIÓK

δ=0:

sajátértékei: különbségük: ~50 kHz a Rabi-frekvencia

A rezonátorban különböző fotonszámok keveréke van: a detektor jele különböző frekvenciájú tagok összege

sajátvektorai:

állapotban (nem energiasajátállapot!!) preparált bejövő atom fejlődése:

kimérhető a preparáló és a detektor időkapuzásával!

R(n=0) ≠ 0 foton-vákuum

2) Kísérlet elhangolva a rezonanciától: gyenge erők interferometriája

• a rezonátor n fotonnal fogadja az „e” (gerjesztett) állapotú atomot:

sajátértékei:

elég nagy elhangolásra

a felső felel meg az n foton + e atomnak, a fény okozta eltolódással

• a rezonátor n fotonnal fogadja a „g” (alap-) állapotú atomot:az alsó előjelet kell venni, de eggyel kevesebb fotonnal:

> 0 („kék elhangolás”)e

g

Az atom „benne marad abban az állapotban, amelyben bejött” a rezonátorba, csak odabent az energiaszintjei eltolódnak.

Miért is marad benne? Azért, mert LASSAN, SÍMÁN lép be és ki: az erre jellemző Fourier-frekvenciák sokkal kisebbek a rezonáns frekvenciánál, ezért nem váltanak ki reális átmenetet.

Ezt a lassúsági-símasági feltételt hívjuk ADIABATIKUSSÁGNAK, és sokszor használjuk atomi állapotok megváltoztatására.

< 0 („vörös elhangolás”) e

gEzek roppant gyenge erők! Hogy lehet őket mérni?

v sebességgel átrepülve a d átmérőjű rezonátor-móduson, a szuperpozició két ága között felhalmozódó fáziskülönbség

Ezt lehet mérni RAMSEY-INTERFERENCIÁVAL! (eredetileg: mágneses rezonancia)

, - rossz rezonátorok klasszikus elektromos tér

Spontán emisszió nem lényeges

két-foton folyamat

-pulzus fele-fele szuperpoziciót gyárt:

ha a Ramsey-rezonátorok forrása pontosan az atomi rezonanciára van hangolva,a repülés közben az atomi „kvázispin” együtt pörög a térrel, és a második rezonátorcsak befejezi, amit az első elkezdett:

Ha a Ramsey-forrás el van hangolva a rezonanciától, a két rezonátor közti v sebességű,L hosszú repülésen Φ fáziskülönbség halmozódik fel:

Ehhez a Φ-hez adódik hozzá az atom-foton kölcsönhatásból eredő

A fázistolásból mérhető a kölcsönhatás,vele a fotonok száma!

Quantum Non-Demolition (fotonokat szét nem roncsoló) fotonszám-mérés

Brune et al., PRL 72, 3339 (1994)

Koherens fotonállapotok a mikromézerben → Schrödinger-macskák