Tóm tắt Luận án Nghiên cứu hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ trong hệ nguyên tử 85Rb năm mức

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH -----—[–----- PHẠM VĂN TRỌNG NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG TRONG SUỐT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ TRONG HỆ NGUYÊN TỬ 85Rb NĂM MỨC Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 62.44.01.09 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ NGHỆ AN, NĂM 2014 Công trình được hoàn thành tại: Khoa Vật lí và Công nghệ trường Đại học Vinh Người hướng dẫn khoa học: 1. NGƯT. GS.TS. Đinh Xuân Khoa 2. TS. Đoàn Hoài Sơn Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp tại vào hồi...giờphút, ngàytháng.năm.. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện Quốc gia và thư viện Nguyễn Thúc Hào trường Đại học Vinh MỞ ĐẦU Hấp thụ và tán sắc là các thông số đặc trưng cho tính chất quang của môi trường khí nguyên tử. Trong miền cộng hưởng, các thông số này thay đổi nhanh theo tần số. Đặc biệt, khi sử dụng thêm các trường laser kích thích làm thay đổi các trạng thái riêng của từng nguyên tử thì các tính chất quang cũng bị thay đổi. Đây là kết quả của sự xuất hiện một số hiệu ứng vật lí mới, trong đó tiêu biểu là hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ - viết tắt là EIT (Electromagnetically Induced Transparency). Các kết quả nghiên cứu về EIT cho các cấu hình cơ bản ba mức năng lượng đã mở ra nhiều triển vọng ứng dụng. Tuy nhiên, điểm hạn chế cốt lõi trong hệ nguyên tử ba mức là chỉ có một miền bước sóng hẹp trong suốt. Vì vậy, các ứng dụng liên quan tới EIT bị hạn chế. Từ đó, một số nhà nghiên cứu đã đề xuất đưa thêm các trường điều khiển để mở rộng từ ba mức lên bốn hoặc năm mức năng lượng. Công trình của nhóm tác giả D. McGloin đã chỉ ra rằng, nếu khảo sát hệ nguyên tử cấu hình bậc thang N mức được kích thích bởi N – 1 trường quang học thì tạo ra được N – 2 cửa sổ EIT. Vì vậy, có thể mở rộng được dải phổ EIT bằng cách thay đổi đồng thời các trường điều khiển. Tuy nhiên, khi áp dụng phương pháp này vào thực tế thì sẽ gặp khó khăn về mặt kỹ thuật do các trường laser phải được điều khiển đồng thời. Để mở rộng miền phổ trong suốt cảm ứng điện từ theo cách đơn giản (chỉ dùng một chùm laser điều khiển), nhóm nghiên cứu của Wang đã đề xuất sử dụng môi trường nguyên tử 85Rb có các mức siêu tinh tế gần nhau được cảm ứng đồng thời bởi một trường laser theo sơ đồ kích thích bậc thang năm mức năng lượng. Theo cách này, nhóm nghiên cứu Wang đã quan sát được phổ EIT có ba cửa sổ trong suốt. Tuy nhiên, các kết quả thực nghiệm và lý thuyết mới chỉ mô tả đặc trưng phổ EIT tại một vài giá trị cụ thể của trường điều khiển nên chưa cho biết thông tin đầy đủ về sự biến đổi liên tục của hệ số hấp thụ và hệ số tán sắc, tức là chưa mô tả được sự phụ thuộc tường minh của hệ số hấp thụ và tán sắc theo các thông số của trường điều khiển và của hệ nguyên tử. Hơn nữa, do chưa dẫn ra được hệ số hấp thụ và hệ số tán sắc dưới dạng giải tích nên các công bố về ứng dụng hiệu ứng EIT trong hệ nguyên tử năm mức vào quang phi tuyến hiện vẫn còn rất ít và gặp nhiều hạn chế. Vì vậy, việc phát triển phương pháp giải tích cho hệ nguyên tử năm mức là rất quan trọng và cấp thiết cho việc triển khai các nghiên cứu và ứng dụng liên quan. Để góp phần khắc phục hạn chế nêu trên cùng với tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu, chúng tôi chọn “Nghiên cứu hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ trong hệ nguyên tử 85Rb năm mức” làm đề tài nghiên cứu của mình. Mục tiêu của luận án là sử dụng phương pháp giải tích để biểu diễn phổ EIT của hệ lượng tử năm mức năng lượng được kích thích theo cấu hình bậc thang. Từ đó áp dụng cho hệ nguyên tử 85Rb để khảo sát khả năng điều khiển hấp thụ và tán sắc theo các tham số của trường laser điều khiển và nhiệt độ môi trường; nghiên cứu sự phụ thuộc của độ sâu và độ rộng cửa sổ EIT theo cường độ trường laser điều khiển và nhiệt độ môi trường. Chương 1 TƯƠNG TÁC GIỮA NGUYÊN TỬ VÀ TRƯỜNG ÁNH SÁNG 1.1. Sự hấp thụ và tán sắc Hệ số tán sắc được cho bởi: . (1.1) Hệ số hấp thụ được định nghĩa là: . (1.2) 1.2. Mô hình Lorentz Đồ thị liên hệ giữa các hệ số tán sắc và hấp thụ được mô tả trên hình 1.1: Hình 1.1. Hệ số hấp thụ và tán sắc trong vùng lân cận tần số cộng hưởng . 1.3. Hamilton tương tác giữa nguyên tử và trường ánh sáng Hamilton có thể viết dưới dạng: , (1.3) trong đó: , (1.4) là Hamilton không nhiễu loạn của electron tự do và số hạng mô tả sự tương tác giữa nguyên tử và trường ánh sáng gọi là Hamilton nhiễu loạn có dạng: , (1.5) với , (1.6) là momen lưỡng cực nguyên tử. Như vậy, Hamilton toàn phần là tổng của và , có dạng: . (1.7) 1.4. Dao động Rabi Khảo sát sự tương tác giữa nguyên tử hai mức với một trường ánh sáng có tần số w. Các xác suất để nguyên tử ở trong trạng thái và tại thời điểm t được cho bởi và : , (1.8a) . (1.8b) Các xác suất biểu diễn độ cư trú của các trạng thái được vẽ như trên Hình 1.3. Hình 1.2. Dao động Rabi của độ cư trú trong trạng thái cơ bản () và trạng thái kích thích () trong trường hợp cộng hưởng . Từ Hình 1.2 chúng ta thấy, khi tần số của trường ngoài trùng với tần số dịch chuyển nguyên tử thì các xác suất dao động giữa 0 và 1. 1.5. Phương trình ma trận mật độ Theo lý thuyết lượng tử, nếu hệ lượng tử nằm trong trạng thái thuần khiết và được biểu diễn bởi hàm sóng thì sự tiến triển theo thời gian của hệ được biểu diễn thông qua phương trình Schrodinger phụ thuộc thời gian. Tuy nhiên, trong nhiều bài toán hệ nằm trong trạng thái pha trộn, hay nói cách khác trạng thái của hệ không biết được một cách chính xác. Trong trường hợp này, chúng ta chỉ có thể xử lý bài toán bằng phương pháp ma trận mật độ, có dạng: (1.9) 1.6. Phương trình ma trận mật độ khi tính đến sự phân rã Phương trình (1.9) là trường hợp lý tưởng chỉ đúng khi cường độ, pha và tần số của trường kích thích là hoàn toàn đơn sắc và các mức năng lượng của hệ lượng tử không suy biến. Tuy nhiên, trong thực tế do nhiều nguyên nhân, các thông số thường có thể thăng giáng và năng lượng của hệ có thể suy biến với một độ rộng phổ nào đó. Vì vậy, để tổng quát hơn chúng ta phải bổ sung ảnh hưởng của các thăng giáng này vào phương trình (1.9). Có hai cách để mô tả những quá trình như vậy: Cách thứ nhất là xem phương trình ma trận mật độ có dạng: (1.10) Cách thứ hai là xem các phần tử ngoài đường chéo của ma trận mật độ bị tắt dần do sự phân rã từ các mức cao đến các mức thấp. Trong trường hợp như vậy, phương trình ma trận mật độ được xác định: , (1.11) (1.12) Chương 2 HIỆU ỨNG EIT TRONG CÁC CẤU HÌNH CƠ BẢN 2.1. Hiệu ứng EIT Chúng ta khảo sát sự giao thoa lượng tử bên trong hệ nguyên tử ba mức năng lượng được điều khiển bởi các chùm laser, như mô tả trên Hình 2.1. Hình 2.1. Sơ đồ kích thích ba mức năng lượng: (a) lambda, (b) chữ V và (c) bậc thang. Hình 2.2. Các nhánh kích thích từ trạng thái cơ bản tới trạng thái kích thích : (a) kích thích trực tiếp và (b) kích thích gián tiếp . Để giải thích bản chất giao thoa lượng tử trong trường hợp này, chúng ta khảo sát sơ đồ kích thích lambda như Hình 2.1a. Sự giao thoa giữa các biên độ xác suất của các nhánh dịch chuyển giữa hai trạng thái và . Nhánh thứ nhất là dịch chuyển trực tiếp → do sự kích thích chỉ bởi chùm laser dò, nhánh thứ hai là dịch chuyển gián tiếp theo kênh →→→ do sự có mặt đồng thời của chùm laser dò và laser liên kết. Ở đây, dịch chuyển → đóng góp vào giao thoa là do dịch chuyển cưỡng bức bởi trường laser liên kết như hình 2.2b. Hình 2.3. Công tua hệ số hấp thụ đối với chùm laser dò trong môi trường nguyên tử ba mức năng lượng: đường liền nét ứng với khi có mặt của trường điều khiển còn đường đứt nét ứng với khi không có mặt trường điều khiển. Do sự giao thoa giữa các biên độ xác suất dịch chuyển của các kênh trực tiếp và gián tiếp dẫn đến triệt tiêu biên độ xác suất dịch chuyển toàn phần của dịch chuyển . Hệ quả là triệt tiêu hệ số hấp thụ cộng hưởng của môi trường đối với chùm laser dò, như mô tả trên Hình 2.3. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng trong suốt cảm ứng điện từ. 2.2. Một số ứng dụng của EIT 2.2.1. Làm chậm vận tốc nhóm ánh sáng Vận tốc nhóm ánh sáng được định nghĩa bởi , với gọi là chiết suất nhóm. Như vậy, vận tốc nhóm ánh sáng phụ thuộc vào độ tán sắc của vật liệu . Sự tán sắc của môi trường biến thiên nhanh trong vùng lân cận tần số cộng hưởng nguyên tử của môi trường. Trong miền cửa sổ EIT, đường cong tán sắc cũng trở nên rất dốc và do đó vận tốc nhóm của xung ánh sáng dò bị giảm đáng kể. 2.2.2. Phát laser khi không đảo lộn độ cư trú Chúng ta biết rằng, từ các phương trình tốc độ Einstein không cho phép laser hoạt động mà không có đảo lộn độ cư trú. Môi trường sẽ trở nên bão hoà khi một nửa độ cư trú ở mức trên của dịch chuyển laser (và một nửa ở mức dưới) do sự phát xạ kích thích cũng như sự hấp thụ kích thích, do đó môi trường không thể cho phép laser hoạt động không có đảo lộn độ cư trú. Tuy nhiên, nếu sự hấp thụ kích thích (một laser hoạt động đòi hỏi đảo lộn độ cư trú để thắng sự hấp thụ từ mức dưới) bị triệt tiêu hoặc được giảm đáng kể (theo cơ chế trong suốt cảm ứng điện từ) thì chúng ta có thể tạo ra laser không cần đảo lộn độ cư trú. 2.2.3. Tăng cường phi tuyến Kerr Dưới các điều kiện trong suốt cảm ứng điện từ, môi trường khí nguyên tử có thể tạo ra hiệu suất biến đổi lớn các quá trình quang học phi tuyến, do đó các thiết bị ứng dụng có các tính năng độc đáo, chẳng hạn có thể biến đổi bước sóng ánh sáng vào miền phổ cực tím và hồng ngoại xa. Sở dĩ đạt được hiệu suất biến đổi cao như vậy là do phi tuyến bằng của môi trường EIT được tăng lên đáng kể, dẫn đến các quá trình quang học xẩy ra với các chùm ánh sáng cường độ khá yếu. Sự đáp ứng quang học phi tuyến lớn cùng với độ tán sắc dốc đã chứng tỏ chiết suất phi tuyến có bậc lớn hơn rất nhiều so với những quan sát trước đây. Môi trường này đang là đối tượng của các nghiên cứu hiện nay bởi chúng cung cấp các khả năng của các quá trình quang học phi tuyến hiệu quả tại mức đơn photon. 2.2.4. Tạo môi trường chiết suất âm Chiết suất là một trong các thông số cơ bản đặc trưng cho tính chất quang học của môi trường. Theo lí thuyết điện từ, chiết suất n của môi trường liên hệ với độ cảm điện tỉ đối εr và độ cảm từ tỉ đối μr qua hệ thức n2 = εrμr. Với các môi trường thông thường thì cả εr và μr đều dương. Lúc đó, một sóng điện từ lan truyền trong môi trường này thì vectơ sóng , vectơ cường độ điện trường và vectơ cường độ từ trường theo thứ tự lập thành một hệ thuận phải. Hệ quả là chiều truyền năng lượng (chiều của vectơ Poyinting) trùng với vectơ sóng. Loại môi trường này có chiết suất dương và rất phổ biến trong thực tế. Cùng với loại môi trường có chiết suất dương, năm 1968, Veselago đã chứng minh có thể tạo loại môi trường có chiết suất âm ứng với trường hợp cả độ cảm điện tỉ đối εr và độ cảm từ tỉ đối μr nhận giá trị âm. Với loại môi trường này, vectơ sóng , vectơ cường độ điện trường và vectơ cường độ từ trường theo thứ tự lập thành một hệ thuận trái. Hệ quả là chiều truyền năng lượng sóng điện từ trong môi trường chiết suất âm sẽ ngược với chiều của vectơ sóng. Chương 3 HIỆU ỨNG EIT TRONG HỆ NGUYÊN TỬ NĂM MỨC 3.1. Mô hình hệ nguyên tử năm mức cấu hình bậc thang Khảo sát hệ nguyên tử năm mức năng lượng cấu hình bậc thang tương tác với hai trường laser được mô tả như trong Hình 3.1. Trong mô hình này, trạng thái kích thích bao gồm ba mức siêu tinh tế khá gần nhau sao cho trường laser điều khiển có thể liên kết đồng thời với ba dịch chuyển , và . Cường độ liên kết đối với các dịch chuyển này được đặc trưng bởi cường độ liên kết tỷ đối , , và , trong đó là mômen lưỡng cực điện của dịch chuyển . Khoảng cách tần số giữa các mức và là và , tương ứng. Hình 3.1. Sơ đồ năm mức năng lượng cấu hình bậc thang. Một laser điều khiển cường độ mạnh với tần số và cường độ Ec kích thích dịch chuyển và một laser dò yếu với tần số và cường độ Ep kích thích dịch chuyển . Tần số Rabi của các trạng thái lượng tử được cảm ứng bởi sự kích thích của chùm laser điều khiển và laser dò lần lượt là: , (3.1a) . (3.1b) Như vậy, cường độ liên kết của chùm laser điều khiển đối với dịch chuyển , và lần lượt là , và . Độ lệch tần của laser điều khiển và laser dò tương ứng là: , (3.2a) . (3.2b) 3.2. Hệ phương trình ma trận mật độ Áp dụng phương trình ma trận mật độ (1.9) cho trường hợp hệ nguyên tử năm mức như trong mục 3.1, chúng ta dẫn ra được hệ phương trình sau: , (3.3) , (3.4) , (3.5) , (3.6) , (3.7) , (3.8) , (3.9) , (3.10) , (3.11) , (3.12) , (3.13) , (3.14) , (3.15) , (3.16) . (3.17) Dưới điều kiện trường điều khiển rất mạnh so với chùm dò nên các nguyên tử chủ yếu tập trung ở trạng thái cơ bản, tức là thoả mãn điều kiện ban đầu: và . Lúc đó, chúng ta thu được nghiệm liên quan đến các sự đáp ứng tuyến tính của nguyên tử đối với trường laser dò là: (3.18) 3.3. Hệ số hấp thụ và hệ số tán sắc Để dẫn ra biểu thức của hệ số hấp thụ và tán sắc đối với chùm dò, chúng ta sử dụng mối liên hệ giữa độ cảm điện với theo biểu thức: . (3.19) Sau khi tách phần thực và ảo ta được: , (3.20) trong đó, và lần lượt là phần thực và phần ảo của , A và B được xác định bởi: , (3.21a) , (3.21b) với: , (3.22a) , (3.22b) . (3.22c) Phần thực và phần ảo của độ cảm liên hệ trực tiếp với hệ số hấp thụ và hệ số tán sắc, tương ứng bởi: , (3.23) , (3.24) 3.4. Ảnh hưởng của trường điều khiển lên sự hấp thụ và tán sắc Chúng tôi áp dụng cho hệ nguyên tử 85Rb. Lúc đó, các trạng thái , , , và lần lượt tương ứng với , , , , và của nguyên tử 85Rb. Mức và mức có khoảng cách tần số là: còn mức và mức có khoảng cách tần số là . Các thông số khác được lựa chọn như sau: mật độ nguyên tử nguyên tử/, khối lượng nguyên tử Rb , các tốc độ phân rã , , mômen lưỡng cực điện , tỷ số mômen lưỡng cực điện giữa các dịch chuyển trường điều khiển và , và . 3.4.1. Ảnh hưởng của cường độ trường điều khiển Chúng tôi cố định tần số của trường điều khiển trùng với dịch chuyển , tức là và thay đổi cường độ của trường điều khiển. Sự thay đổi của hệ số hấp thụ và hệ số tán sắc theo tần số Rabi và theo tần số của trường laser dò được chúng tôi vẽ trên đồ thì ba chiều như trên Hình 3.2. Chúng ta thấy rằng, khi chưa có mặt của chùm laser điều khiển () thì sự hấp thụ của môi trường đối với chùm laser dò đạt cực đại tại tần số cộng hưởng (Dp = 0). Tuy nhiên, khi có mặt của chùm laser điều khiển () và tăng dần đến một giá trị nào đó thì trên đồ thị hệ số hấp thụ xuất hiện ba cửa sổ EIT tại các tần số khác nhau của chùm dò. Mặt khác, khi tần số Rabi Wc tăng dần thì độ sâu và độ rộng của các cửa sổ EIT tăng dần. Hình 3.2. Đồ thị ba chiều của hệ hấp thụ (a) và hệ số tán sắc (b) theo độ lệch tần số chùm dò và cường độ trường điều khiển khi . Sự thay đổi của hệ số hấp thụ sẽ dẫn đến sự thay đổi của hệ số tán sắc, như trên Hình 3.2b. Chúng ta thấy, khi có mặt của trường điều khiển thì trên đồ thị hệ số tán sắc xuất hiện ba đường cong tán sắc thường tương ứng với ba vị trí của miền trong suốt trên đồ thị hệ số hấp thụ. Độ dốc và độ cao của các đường tán sắc thường này cũng tăng lên khi tăng dần tần số Rabi Wc. Như vậy, chúng ta có thể điều khiển được độ dốc của đường cong tán sắc bằng cách thay đổi cường độ và tần số của chùm laser điều khiển. Để thấy rõ hơn ảnh hưởng của cường độ trường điều khiển, chúng tôi vẽ đồ thị hai chiều của hệ số hấp thụ tại một số giá trị của tần số Rabi Wc, như được mô tả trên Hình 3.3. Khi tần số Rabi Wc tăng dần thì độ sâu và độ rộng của các cửa sổ EIT cũng tăng theo. Tuy nhiên, chúng ta cũng thấy rằng sự phụ thuộc của độ sâu và độ rộng của các cửa sổ EIT vào tần số Rabi Wc là khác nhau: cửa sổ trong suốt tại vị trí có độ sâu và độ rộng lớn nhất, còn các cửa sổ EIT khác ở các vị trí và có độ sâu và độ rộng giảm dần, tương ứng. Hình 3.3. Đồ thị hệ số hấp thụ đối với chùm dò như là hàm của độ lệch tần Dp tại một số trị của cường độ trường điều khiển Wc khi Dc = 0. 3.4.2. Ảnh hưởng của tần số trường laser điều khiển Chúng tôi cố định tần số Rabi Wc = 10MHz, đồng thời thay đổi tần số của chùm điều khiển. Đồ thị ba chiều biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ và tán sắc vào độ lệch tần số chùm dò và chùm điều khiển , được mô tả trên Hình 3.4. Kết quả thu được từ Hình 3.4a đã cho thấy rằng, khi độ lệch tần Dc thay đổi sẽ dẫn đến sự thay đổi vị trí của các cửa số EIT. Vị trí của các cửa sổ có thể được dịch chuyển sang phải hoặc sang trái khi tần số của trường điều khiển được dịch về đỏ hoặc về phía xanh phía tương ứng. Theo Hình 3.4b chúng ta thấy, vị trí của các miền tán sắc dị thường trên đồ thị tán sắc cũng được dịch chuyển tương ứng với sự dịch chuyển sang phải hoặc sang trái của các vị trí cửa sổ EIT trên đồ thị hấp thụ. Để tường minh hơn, chúng tôi vẽ đồ thị hai chiều của hệ số hấp thụ biến thiên theo độ lệch tần số của trường dò tại một số giá trị đặc biệt của độ lệch tần số trường điều khiển ∆c= -9MHz, ∆c= -5MHz, ∆c= 0 MHz và ∆c= 7,6MHz như được mô tả trên Hình 3.5. Hình 3.4. Đồ thị ba chiều của hệ số hấp thụ (a) và hệ số tán sắc (b) theo độ lệch tần số chùm dò Dp và độ lệch tần số chùm điều khiển Dc khi . Hình 3.5. Đồ thị hai chiều của hệ số hấp thụ là hàm của độ lệch tần Dp, ứng với một vài giá trị của Dc khi . Từ Hình 3.6 chúng ta thấy, sự thay đổi của tần số trường điều khiển thay đổi vị trí của các cửa sổ EIT, cụ thể là: cửa sổ trong suốt ứng với sự liên kết dịch chuyển được dịch chuyển sang trái và vị trí cụ thể trong dịch chuyển của cửa sổ này lần lượt là: ∆p= 0 MHz, ∆p= -4 MHz, ∆p= -9 MHz và ∆p= -16,6 MHz. Cửa sổ trong suốt ứng với sự liên kết dịch chuyển được dịch chuyển sang trái hoặc phải và vị trí cụ thể trong dịch chuyển của cửa sổ này lần lượt là: ∆p= 9 MHz, ∆p= 5 MHz, ∆p= 0 MHz và ∆p= -7.6 MHz. Cửa sổ trong suốt ứng với sự liên kết dịch chuyển cũng được dịch chuyển sang trái và vị trí cụ thể trong dịch chuyển của cửa sổ này lần lượt là: ∆p= 16.6 MHz, ∆p= 12.6 MHz, ∆p= 7.6 MHz và ∆p= 0 MHz. 3.5. Ảnh hưởng của sự mở rộng Doppler Khi kể đến mở rộng Doppler, biểu thức độ cảm điện có dạng: , (3.25) trong đó: và là hàm bù sai số của z. Để xét ảnh hưởng của mở rộng Doppler, chúng tôi cố định tần số và tần số Rabi của chùm điều khiển tại và và vẽ đồ thị hệ số hấp thụ theo độ lệch tần số chùm dò và nhiệt độ của mẫu nguyên tử, như trên Hình 3.6. Hình 3.6. Đồ thị hệ số hấp thụ theo độ lệch tần số chùm dò tại một số giá trị nhiệt độ của mẫu nguyên tử. Các thông