Palaipsniui sukelta trukdžių prigimties kontrolė trijų lygių elektromagnetinėmis indukcinėmis skaidrumo sistemomis mokslinės ataskaitos

Palaipsniui sukelta trukdžių prigimties kontrolė trijų lygių elektromagnetinėmis indukcinėmis skaidrumo sistemomis mokslinės ataskaitos

Anonim

Dalykai

  • Atominė ir molekulinė sąveika su fotonais
  • Kvantinė optika

Anotacija

Defazavimo įtaka trukdžiams tiriama teoriškai ir eksperimentiškai trijų lygių elektromagnetiniu indukcija skaidrumo sistemose. Interferencinio pobūdžio, konstruktyvus, netrukdantis ar destruktyvus, gali būti kontroliuojamas koreguojant nuleidimo laipsnius. Šis naujas reiškinys eksperimentiškai stebimas meta-atomais. Trukmės pobūdį sukelianti trukdžių kontrolės fizika konkuruoja tarp stimuliuotos ir savaiminės emisijos. Atsitiktinis fazės svyravimas dėl atmetimo lems koreliaciją ir anti-koreliaciją tarp dviejų apsirengusių būsenų, o tai atitinkamai padidins ir sumažins stimuliuotą emisiją.

Įvadas

Nuoseklūs procesai, pagrįsti kvantiniais trukdžiais trijų lygių terpėse, daugelį metų buvo tiriami 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ir davė daug naujų ir netikėtų reiškinių, pvz., elektromagnetiniu indukuotu skaidrumu (EIT) 3, 4, 5, besitęsiančiu be inversijos (LWI) 6, 7, 8, o savaiminiu spinduliuotės panaikinimu 9, 10 . Pirmajame ir daugelyje naujausių eksperimentų 3, 11 buvo naudojami šarminiai metalai dujų fazėje dėl jų paprastos elektroninės lygio struktūros ir ilgalaikio darnumo. Vėliau eksperimentai taip pat buvo atlikti su kieta sistema, pavyzdžiui, su leduota kieta 12, kvantiniais taškais 13 ir superlaidžiomis grandinėmis 14 . EIT absorbciją panaikina (arba sumažina) rezonansiniu perėjimo dažniu ir sukelia staigią sklaidą, taip pat žymiai padidina netiesinį jautrumą terpės indukuotam skaidrumui spektrinėje srityje 5 . Dabar EIT tapo esminiu metodu tokioms galimoms programoms kaip šviesos sulėtėjimas 15, optinė atmintinė 16, kvantinės informacijos apdorojimas 17 ir optiniai diodai 18 .

Analizuojant EIT uždaruose trijų lygių atomuose naudojami du metodai - plikos būsenos ir aprengtos būsenos - 3, 5, kai silpnas laukas žymi perėjimą tarp dviejų lygių ir stiprų lauką, perjungiantį viršutinį perėjimo į trečiąjį lygį lygį. . Taikant atviros būsenos metodą, absorbcija sumažėja dėl kelių kelių per stiprųjį lauką sujungto perėjimo daug kartų 19 . Taikant aprengtos būsenos metodą, EIT atsiranda dėl to, kad Autler-Townes suskaido dvi aprengtas būsenas ir dėl aprengtų būsenų destruktyviai trukdo zondo absorbcijai 20 . Dauguma tyrimų, susijusių su aukštesniojo lygio sujungtais trijų lygių atomais, teigia, kad egzistuoja tik destruktyvūs trukdžiai, tuo tarpu žemiausio lygio sujungtų trijų lygių atomais dauguma teigia, kad nėra trukdžių 5, 21 . Palyginimai tarp EIT ir „Autler-Townes“ padalijimų rodo, kad kvantiniai trukdžiai yra svarbūs, kai sukabinimo lauko Rabi dažnis yra mažėjimo laipsnių tvarka 21, 22, 23 . Kai Rabi dažnis yra daug didesnis nei skilimo greičiai, abi absorbcijos spektro smailės yra gerai atskirtos, o skirtumas tarp EIT ir Autler-Townes dalijimosi (be trukdžių) yra labai mažas, ypač rezonanso absorbcijai. Tačiau nebuvo nuspręsta, ar atmetimas daro įtaką trikdžių pobūdžiui. Ref. 24, autorius pateikė apytikslę lygtį, kai jungties lauko Rabi dažnis yra daug didesnis nei skilimo greičiai, ir jis nustatė konstruktyvius (destruktyvius) trukdžius žemesniojo lygio (viršutinio lygio) susietam trijų lygių atomui, jei nepaisoma depasavimo. Nors jis aiškiai neaptarė trukdžių pobūdžio (tarp konstruktyvaus ir destruktyvaus) perkėlimo, ši lygtis rodo, kad perkėlimas yra įmanomas naudojant mažinimo laipsnius. Be to, mes norėtume atskleisti fiziką, užtikrinančią trikdžių pobūdį.

EIT klasikinės analogijos, pagrįstos dirbtiniais meta-atomais, pastaruoju metu sulaukė daug dėmesio 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 dėl lengvo eksperimentinio demonstravimo ir galimo pritaikymo, pavyzdžiui, lėtos šviesos 25, 26, mažo nuostolio metamaterialas 27, 28, optinė laikmena 30 ir jutiklis 31 . Metaatomams ne tik sukabinimo stipris (atitinkantis varomojo lauko stiprumą), bet ir vidiniai sistemų parametrai gali būti lengvai sureguliuojami, pavyzdžiui, mažinant greitį, naudojant kintamuosius rezistorius 34, 35 . Todėl meta-atomai yra lanksti eksperimentinė platforma, skirta imituoti kvantinių trukdžių reiškinius daugiapakopėse atominėse sistemose.

Šiame darbe aptariame sistemingą kvantinių trukdžių pobūdžio valdymą keičiant laipsniškumo laipsnius EIT trijų lygių sistemoje (viršutinį lygį, sujungtą su stipriu lauku) sukabinimo lauko „Rabi“ dažniu mažėjimo tvarka. normos. Mūsų atmesta trukdžių kontrolė vykdoma dviejose apsirengusiose būsenose. Dviejų aprengtų būsenų dinaminės lygtys aiškiai parodo, kad koreliacija tarp dviejų apsirengusių būsenų ir atitinkamai kvantinių trukdžių pobūdis yra nustatomi pagal skilimo greitis, kad žmogus galėtų konstruktyviai, griauti ar netrukdyti atomo absorbcijai. spektrą paprasčiausiai pakeisdami skilimo greičius, ypač mažinančius greičius. Čia taip pat pateikiame pirmąjį eksperimentinį stebėjimą, kai EIT trijų lygių metaatomų trikdžių pobūdis panaikinamas. Parodytas poslinkio sukeltas perėjimas nuo konstruktyvių trukdžių prie destruktyvių trukdžių. Mūsų rezultatai suteikia aiškų supratimą apie kvantinių trukdžių pobūdį trijų lygių EIT sistemose ir sudaro naują būdą valdyti visų rūšių trukdžius, koreguojant laipsniško mažinimo laipsnius.

Rezultatai

Interfazinio pobūdžio fazių sukelta kontrolė

Apsvarstykite aukštesnio lygio sujungtas trijų lygių sistemas, kurios gali būti EIT-

Image

[žr. 1 pav. (a)] arba EIT kaskados [žr. 1 pav. (b)] schemas. Trijų lygių atomą varo stiprus laukas su dažniu

Image

ir Rabi dažnis Ω, ir yra zonduojamas silpnu lauku, kurio dažnis

Image

ir Rabi dažnis Ω p . Hamiltonas yra

Image

Image

. Nustatymas

Image

ir

Image

(rezonansinis vairavimas), Hamiltono besisukantis rėmas gali būti parašytas taip:

Image

Image

Image

schema. Kaskados hamiltietis yra tas pats

Image

pakeistas

Image

. Tankio matricos lygtys

Image

schema plikose būsenose yra

Image

a ) ETI

Image

tipo. b) EIT kaskados tipas.

Image

ir

Image

yra atitinkamai jungiamųjų ir zondavimo laukų „Rabi“ dažniai.

Image

žymi dažnio mažėjimą.

Visas dydis

Image

kur

Image

yra gyventojų skaičiaus mažėjimo greitis nuo

Image

į

Image

ir

Image

yra ne įstrižainės skilimo greitis

Image

. Pastaba

Image

. Kaskados schemos lygtys yra tokios pačios

Image

pakeistas

Image

, o antroji lygtis pakeista

Image

.

Įsivaizduojama atominio tiesinio jautrumo dalis arba absorbcija yra proporcinga tikrajai

Image

, kurį galima gauti perturbacijos metodu ir kuris yra abiem schemoms vienodas,

Image

Apsvarstykime apsirengęs būsenas

Image

ir

Image

. Tankio matricos lygtis abiejose schemose parengtose būsenose galima gauti iš ekv. (1),

Image

Image

kur

Image

. Su nuline tvarka

Image

ir

Image

, mes galime gauti

Image

ir absorbcija tampa

Image

.

Jei

Image

, Ekvivalentai. (3a) ir (3b) yra dvi nepriklausomos lygtys ir neturi koreliacijos tarp jų ir Eq. (4) pasakyk mums, kad emisijos spektras yra dviejų nepriklausomų Lorentzianų smailių, turinčių tą patį linijos plotį, suma

Image

ir nėra trukdžių. Y yra atsakingas už koreliaciją tarp

Image

ir

Image

, ir įsikišimo į trikdžius. Energijos skirtumas tarp dviejų apsirengusių būsenų yra

Image

lemia vairavimo laukas. Mes galime laikyti, kad parametras

Image

, kurį galima parašyti kaip

Image

(−1 < p <1) apibūdina koreliaciją tarp dviejų efektyvių dipolio momentų (

Image

ir

Image

) iš dviejų perėjimų. Tokia dipolio koreliacija, vaizduojama

Image

sukels kvantinių trukdžių reiškinį 9 . Dėl

Image

(

Image

), du dipolio momentai yra stačiakampiai ir netrukdomi. Dėl

Image

(

Image

), turime ūmų kampą tarp dviejų dipolio momentų ir absorbcijos

Image

yra mažesnė už dviejų Lorentzių sumą, o tai reiškia griaunamąjį kvantinį įsikišimą į absorbciją. Dėl

Image

(

Image

), turime dvipusį kampą tarp dviejų dipolio momentų ir absorbcijos

Image

yra daugiau nei dviejų Lorentzių suma, o tai reiškia konstruktyvų įsikišimą į absorbciją. Kaip

Image

, mes turime

Image

. Mes galime tai pamatyti

Image

ir

Image

turi skirtingus vaidmenis interferencijoje: destruktyvus (

Image

ir

Image

) ir konstruktyvus (

Image

ir

Image

), atitinkamai.

Kadangi Y , kuris priklauso nuo skilimo greičio, yra atsakingas už absorbcijos įsikišimą, akivaizdu, kad tik stimuliuota absorbcija iš žemesnio lygio

Image

į

Image

ir nuo

Image

į

Image

(iš vienos būsenos į dvi skirtingas būsenas) negalėjo sudaryti trikdžių kelių poros. Du trikdžių keliai turi apimti savaiminį skilimo procesą. Todėl dviem keliais, kurie sudaro trukdžių porą, stimuliuojama absorbcija (nuo

Image

į

Image

ir

Image

), o po to savaiminė emisija (nuo

Image

ir

Image

į

Image

), žr. 2 pav. Elektromagnetiniu būdu skaidrumą sukuria savaiminio gesinimo trukmė kartu su stimuliuota absorbcija.

Image

Du keliai, kurie sudaro trukdžių porą, yra stimuliuojami absorbcija (nuo

Image

į

Image

ir

Image

) ir savaiminė emisija (nuo

Image

ir

Image

į

Image

).

Visas dydis

Image

schema, kurią mes turime

Image

ir

Image

, su

Image

ir

Image

-

Image

ir

Image

, atitinkamai. Jei atmetimo dažnis

Image

yra labai mažas, palyginti su

Image

, mes turime

Image

, sukeliančią beveik visišką destruktyvų įsikišimą

Image

. Jei turime labai didelę atmetimo greitį

Image

palyginti su

Image

, kurį galima realizuoti pridedant tam tikrą susidūrimo mechanizmą su lygiu

Image

(ne lygis

Image

), turėsime

Image

, todėl beveik visiški konstruktyvūs trukdžiai

Image

. Pakeitus atmetimo greitį

Image

nuo mažų iki didelių, mes galime turėti beveik visiškai griaunamus trukdžius ir netrukdyti, o vėliau - konstruktyviai. 3 pav. Nubraižome tikrąją

Image

Image

schema su skirtingais

Image

Image

į

Image

su

Image

ir

Image

. Mėlynoji kreivė yra dviejų Lorentzių suma už

Image

. Iš 3 pav. Aiškiai matome perėjimą nuo visiško destruktyvaus trikdžio (raudona kreivė) prie konstruktyvaus trukdžio (oranžinė kreivė). Panašias kreives galima rasti kaskados EIT schemoje nuo beveik visiško konstruktyvaus (

Image

) beveik visiškai sunaikinti (

Image

) trukdžiai keičiant tik žeminančius dažnius.

Image

Rezorbcijos dažnio absorbcijos dydis palaipsniui mažėja

Image

. Dėl

Image

, absorbcijos spektras yra lygus dviejų Lorentzianų smailių, kurių tiesinis plotis yra lygus, sumai

Image

(Mėlyna). Dėl

Image

(

Image

), rezonansiniu dažniu stebimi konstruktyvūs (destruktyvūs) absorbcijos trukdžiai.

Visas dydis

Mes klausiame savęs, kodėl

Image

ir

Image

vaidinkite skirtingus trukdžių vaidmenis ir koks yra mechanizmas, suprantantis trukdžių sukeltą trukdžių kontrolę. Puvimo tempai

Image

ir

Image

yra susijusios su gyventojų skaičiaus mažėjimu ir lygio žemėjimu

Image

ir

Image

, atitinkamai. Puvimas

Image

yra sukeltas gyventojų ir besitraukiančių rezervuarų

Image

, o puvimo metu

Image

yra sukeltas gyventojų ir besitraukiančių rezervuarų

Image

. Rezervuarai

Image

(arba

Image

) lemia atsitiktinių fazių pokyčius

Image

(arba

Image

). Atsitiktiniai fazės pokyčiai

Image

ir

Image

dėl rezervuarų

Image

yra koreliuojami su stipriu lauku, kad du atsitiktiniai fazių pokyčiai būtų vienodo dydžio ir to paties ženklo dėl

Image

(bendras pliuso ženklas prieš

Image

). Dėl atsitiktinių fazių pokyčių koreliacijos

Image

ir

Image

, sistema nuo

Image

į

Image

ir

Image

stimuliuodamas absorbuoti zondą fotonas gali stimuliuoti tą patį zondo fotoną tuo pačiu dažniu ir faze nuo

Image

ir

Image

į

Image

, kuris neturi jokios įtakos absorbcijai. Būtent šie stimuliuojami išmetimo procesai užkerta kelią savaiminei emisijai, taigi ir rezervuarų indėlis

Image

savaiminis išmetimas yra sumažinamas arba pašalinamas. Štai kodėl mes turime griaunamąjį kišimąsi. Panaši diskusija gali vykti ir dėl

Image

, dėl kurių atsitiktinių fazių pokyčiams atsiras anti-koreliacija (toks pat dydis su priešingais ženklais), dėl

Image

(priešingi ženklai prieš

Image

), kuris lemia stimuliuojamos emisijos sumažinimą arba slopinimą ir sustiprina spontanišką emisiją, kad mes konstruktyviai įsiterpiame į absorbciją. Dėl

Image

(Y = 0), koreliacija ir anti-koreliacija panaikina viena kitą ir mes neturime jokių trukdžių.

Eksperimentinis demonstravimas metaatomais

Atominei sistemai žeminimo laipsnių koregavimas yra ribotas, nes sunku gauti tinkamus parametrus tiesiogiai sureguliuojant atominius susidūrimus 36, 37, 38 . Siekdami eksperimentiškai parodyti, kad trukdžių pobūdis kontroliuoja trukdžius, eksperimentuojame su klasikiniu EIT meta-atomų analogu.

Įrodyta, kad klasikinio EIT meta-atomų dinaminės lygtys pateiktos kaip 26, 33, 39, 40

Image

kur

Image

yra įvesties laukas su dažnio mažėjimu

Image

kuris sužadins režimą

Image

(bet ne režimas

Image

) ir

Image

yra artimo lauko jungties stiprumas tarp dviejų atomo rezonansinių režimų (

Image

vaidmuo toks pats kaip „Rabi“ dažnio

Image

atominėje EIT sistemoje).

Image

yra „ryškus“ režimas, turintis išvestis tiek pirmyn, tiek atgal, o sklaidos nuostolių procentas

Image

, tuo tarpu

Image

yra „tamsus“ režimas, kuriame nėra išvesties ir nėra išsklaidymo nuostolių. Dviejų režimų rezonansinis dažnis yra tas pats, ir jie kenčia nuo skirtingo laipsnio mažinimo greičio

Image

ir

Image

, atitinkamai.

Po kai kurių darinių mes tai gavome

Image

kur

Image

,

Image

,

Image

yra atspindžio koeficientas, o perdavimo koeficientas yra

Image

. Priklausomybė nuo

Image

dėl rezonansinių režimų skilimo greičio (

Image

ir

Image

) yra toks pat kaip ir

Image

apie atominio skilimo greitį žiūrėkite Eq. (2) ir (4). Todėl tikroji

Image

atitinka absorbciją atominėje EIT sistemoje. Mes galime išmatuoti r palyginti

Image

imituoti absorbcijos priklausomybę atominėje EIT sistemoje

Image

.

Mūsų eksperimentai atlikti naudojant metaatomą mikrobangų diapazone. Eksperimentinė sąranka parodyta 4 pav. Meta-atomą sudaro du sujungti rezonatoriai. Ryškus rezonatorius

Image

) yra vario šaka, kurios ilgis

Image

, ir jis yra sujungtas su pagrindine juostele rezistoriumi

Image

, kaip parodyta 4 pav. viduryje. Tamsus rezonatorius (

Image

) sudaro du metaliniai suskaidyti žiedai, kurių matmenys:

Image

, kurie yra abiejose pirmojo rezonatoriaus pusėse. Įrodyta, kad šios konfigūracijos, kurią sudaro šviesūs ir tamsūs rezonatoriai, atsaką galima laikyti klasikiniu EIT 26, 27, 28, 29, 34, 35 analogu. Čia yra metalinių varinių laidų plotis

Image

. Dviejų žiedų tarpo dydis yra

Image

. Dviejų rezonansinių režimų dažniai suprojektuoti taip, kad esant 23, 56 GHz dažniui. Dviejų rezonatorių žeminimo laipsniai,

Image

, galima reguliuoti dviem rezistoriais

Image

, atitinkamai. Padėdami du rezonatorius arti vienas kito, kai atstumas yra

Image

, galime pristatyti artimojo lauko jungtį

Image

tarp dviejų režimų. Kai dažnio mikrobangos

Image

sklinda išilgai pagrindinės juostos (atsitikimas iš kairės), mes turime įvestį į ryškią rezonatorių (

Image

) kuris jaudina

Image

. Tamsusis rezonatorius yra nutolęs nuo pagrindinės juostos, todėl tamsiuoju rezonatoriumi nereikia įėjimo. Tamsusis režimas

Image

yra susijaudinęs dėl dviejų režimų sujungimo. Rezonansinių režimų judesį apibūdina Eq. (5). Atlikę metaatomo pilnų bangų modeliavimą pasirinktais geometriniais parametrais, turime

Image

,

Image

ir

Image

,

Image

39 . Tada mes galime pakoreguoti

Image

ir

Image

kad būtų kitaip

Image

ir

Image

.

Image

Pralaidumo ir atspindžio koeficientai matuojami mikrobangų tinklo analizatoriumi. EIT metaatomą sudaro „ryškus“ rezonatorius, „tamsus“ rezonatorius, suskaidytų žiedų pora. Artimosios lauko jungties stipris tarp dviejų rezonatorių nustatomas atskyrimu

Image

, ir dviejų rezonatorių žeminimo laipsnius,

Image

, galima reguliuoti dviem rezistoriais

Image

, atitinkamai. Geometrinius parametrus galite rasti pagrindiniame tekste.

Visas dydis

5 pav. Pateikiame išmatuotosios realiosios dalies spektrą

Image

(o ne lygiavertis kiekis

Image

) su skirtingais rezistorių pateiktais žeminimo laipsniais

Image

. Tai daugiausia dėl dviejų priežasčių: i) palyginti su atspindžio koeficientu r struktūros veidrodinės plokštumos atžvilgiu, perdavimo koeficientą t palyginti lengva išmatuoti. ii) Dėl nedidelio pavyzdžio asimetrijos dėl pagaminimo atsiranda skirtumas tarp įvykio atspindžio iš kairės ir dešinės pusės, o perdavimas yra abipusis ir unikalus. Čia mes taisome

Image

, kuris padaro

Image

būti pastoviu,

Image

, o visi dažniai ir laipsniško mažinimo greičiai yra normalizuojami

Image

. Vienu metu keisdami R1 ir R2 , galime padaryti

Image

Image

(

Image

Image

) į

Image

(

Image

Image

), tai yra, nuo konstruktyvaus įsikišimo į destruktyvų įsikišimą. Išmatuotas

Image

5 pav. aiškiai parodytas trukdžių sukelto trukdžių valdymo reiškinys, būtent perėjimas nuo konstruktyvaus prie destruktyvaus trikdymo didėjant

Image

. Dėl to atvejo

Image

(

Image

ir

Image

), trukdžių nėra, o išmatuotas spektras artėja prie dviejų Lorenzių sumos, žr. mėlyną kreivę (teorinis skaičiavimas taip pat nubraižytas palyginimui, žr. pilką brūkšninę kreivę) su rezonanso centrais

Image

ir bendras linijos plotis

Image

. Čia ne nulinė reikšmė

Image

prie

Image

(raudona kreivė 5 pav.) yra dėl nedidelio neišvengiamo išsiskyrimo iš medžiagos ir šiurkštumo. Nors mūsų matavimai ir teoriniai skaičiavimai šiek tiek skiriasi dėl pagaminimo tolerancijos, taip pat dėl ​​aukštų užsakymų režimų ir netobulo atitikimo įvesties / išvesties prievaduose (kadangi šie neigiami veiksniai teoriniuose skaičiavimuose nėra vertinami)., mūsų eksperimentai, be abejo, imitavo konstruktyvų, destruktyvų ir netrukdantį EIT trijų lygių sistemai, koreguodami tik metaatomo mažėjančius laipsnius.

Image

Tikroji

Image

atitinka tikrąją

Image

. Palyginimui:

Image

skiriama su pilka brūkšnio linija. Mūsų matavimai pagrįsti 3 paveiksle pateiktais skaičiavimais.

Visas dydis

Diskusija

Naujas reiškinys - nutraukimo sukelta trukdžių kontrolė - buvo teoriškai ištirtas ir eksperimentiškai stebimas trijų lygių EIT sistemoje. Mes nustatėme, kad trukdžių pobūdis priklauso nuo slopinimo greičio, bet nėra susijęs su vairavimo lauko stiprumu. Atsitiktinis fazės svyravimas dėl atmetimo lems koreliaciją ir anti-koreliaciją tarp dviejų apsirengusių būsenų, o tai atitinkamai padidins ir sumažins stimuliuotą emisiją. Trumpalaikio sukeltos trukdžių kontrolės fizika yra konkuruojanti tarp stimuliuojamos ir savaiminės emisijos.

Metodai

Visi mėginiai yra gaminami ant variu plakiruoto 0, 787 mm storio „Rogers RT5880“ pagrindo, naudojant lazerio tiesioginio struktūrizavimo technologiją (LPKF ProtoLaser 200). Pralaidumo ir atspindžio savybės buvo gautos tiesiogiai iš mikrobangų vektorių tinklo analizatoriaus (Agilent N5222A). Be to, pavyzdžių projektavimui naudojamas komercinis programinės įrangos paketas (CST Microwave Studio).

Papildoma informacija

Kaip pacituoti šį straipsnį : Sun, Y. et al. Trifazių elektromagnetinių indukcinių skaidrių sistemų trikdžių pobūdžio laipsniškas valdymas. Mokslas. Rep. 5, 16370; „doi“: 10.1038 / srep16370 (2015).

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.