Simultaneous laser cooling of multiple atomic species using a frequency comb

disertacija

• Naslov (hrvatski): Istovremeno lasersko hlađenje više vrsta atoma frekventnim češljem
• Autor: Danijel Buhin
• Mentor: Damir Aumiler (mentor)
• Član povjerenstva: Ticijana Ban (predsjednik povjerenstva)
• Član povjerenstva: Hrvoje Buljan (član povjerenstva)
• Član povjerenstva: Damir Aumiler (član povjerenstva)
• Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj: Sveučilište u Zagrebu; Prirodoslovno-matematički fakultet; (Fizički odsjek); Zagreb
• Datum i država obrane: 2022-10-25, Hrvatska
• Znanstveno / umjetničko područje, polje i grana: PRIRODNE ZNANOSTI; Fizika
• Univerzalna decimalna klasifikacija (UDC): 53 - Fizika

Sažetak

I present the results of the theoretical calculation of the interaction of two counter-propagating pulse trains with six-level atoms. In the model, we calculate the radiation pressure force and the diffusion coefficient exerted on the atoms. The temperature of atoms is calculated using a Fokker-Planck equation. I present how frequency comb (FC) parameters affect the process of laser cooling. Results of the calculation suggest that the laser cooling with an FC is most effective when the single comb mode is red detuned from the cooling transition, and another comb mode is near-resonant with repumping transition in an atom. I report on the experimental demonstration of the simultaneous cooling of two atomic species using a single frequency comb source in 1D. The repetition frequency is tuned so the comb modes are red detuned from cooling transitions of 85^Rb and 87^Rb atoms simultaneously. We generated dual-species MOT using standard cw laser cooling techniques and then in an additional cooling phase demonstrated simultaneous cooling with an FC. Finally, I present the results of the electromagnetically induced transparency (EIT) and quantum memory (QM) measurements in 85^Rb vapor. In the experiment, we used three different glass cells with different coatings and buffer gas filling. We measured the ground state decoherence rate for these three cells by measuring the width of the EIT resonance. Decoherence rate affects the properties of the QM storage time and efficiency. The best-achieved efficiency is 20.5 % and the longest achieved storage time is 1.2 ms.

Sažetak (hrvatski)

U ovom radu predstavljam rezultate istraživanja napravljenih na Institutu za fiziku u Zagrebu pod mentorstvom doc. dr. sc. Damira Aumilera. Tijekom mog istraživanja, bio sam član Grupe za kvantne tehnologije na institutu. Tijekom prve godine rada sudjelovao sam na projektu "Optomehanika uzrokovana frekventnim češljem" voditeljice dr. sc. Ticijane Ban. Glavni dio istraživanja napravljen je u sklopu projekta Hlađenje atoma frekventnim češljem voditelja dr. Damira Aumilera. Zadnji dio istraživanja bio je dio bilateralnog Hrvatsko-Slovenskog projekta "Razvoj gradivnih blokova za novu europsku kvantnu komunikacijsku mrežu", gdje je voditelj hrvatske strane dr. sc. Mario Stipčević s Instituta Ruđer Bošković u Zagrebu. Glavna tema mog doktorskog rada je simultano hlađenje dvije vrste rubidijevih izotopa pomoću frekventnog češlja. Druga tema je teorijski račun interakcije atoma i frekventnog češlja te hlađenje atoma s frekventnim češljem. Rezultati teorijskog modela potkrjepljuju rezultate eksperimenta i daju uvid za izgradnju budućih eksperimenata. Zadnja predstavljena tema vezana je uz efekt elektromagnetski inducirane transparencije (EIT) i realizacija kvantne memorije bazirane na EIT efektu. Doktorski rad je organiziran na način prikazan kroz sljedećih nekoliko odlomaka. U prvom poglavlju predstavljeno je područje istraživanja iz obje tematike predstavljene u doktorskom radu. U drugom poglavlju ukratko je objašnjeno lasersko hlađenje i zarobljavanje atoma kao uvod u područje istraživanja predstavljeno u radu. Ukratko je objašnjen princip rada frekventnog češlja te njegov doprinos u eksperimentima laserskog hlađenja. U trećem poglavlju predstavljen je teorijski model interakcije frekventnog češlja s atomima sa šest energijskih razina. Atomi interagiraju s dvije suprotno propagirajuće zrake frekventnog češlja. U modelu se rješavaju optičke Blochove jednadžbe koje opisuju vremensku evoluciju elemenata matrice gustoće. Iz stacionarnog rješenja optičkih Blochovih jednadžbi računamo radijativnu silu kojom zrake frekventnog češlja utječu na atome te koeficijent difuzije. Također, računamo temperaturu atoma u stacionarnom stanju pomoću Fokker-Planck jednadžbe. U modelu proučavamo kako parametri frekventnog češlja, frekvencija repeticije i frekventni pomak i Prošireni sažetak češlja, utječu na dinamiku hlađenja atoma. Predstavljeni su rezultati tri različita skupa parametara frekventnog češlja te je objašnjeno kako utječu na lasersko hlađenje. Iz teorijskog računa proizlazi kako je hlađenje s frekventnim češljem efikasno u slučaju kada je frekvencija n-tog moda frekventnog češlja crveno pomaknuta u odnosu na frekvenciju prijelaza za hlađenje, dok je neki drugi mod frekventnog češlja blizu rezonancije prijelaza za naseljavanje. Temperature su bliske Dopplerovoj temperaturi, kao što je očekivano u hlađenju s laserima kontinuirane emisije. U četvrtom poglavlju je opisan eksperimentalni postav potreban za realizaciju simultanog hlađenja dvije vrste atoma s frekventnim češljem. Opisan je proces stvaranja hladnog oblaka dva izotopa atoma rubidija istovremeno. Kako bi frekventni češalj istovremeno mogao međudjelovati s atomima oba izotopa, potrebno je ugoditi njegovu frekvenciju repeticije na 80:495 MHz. Predstavljeni su rezultati mjerenja simultane radijativne sile frekventnog češlja, koji su uspoređeni s teorijskim predviđanjem. Radijativna sila izračunata je iz mjerenja pomaka centra mase oblaka nakon određenog vremena interakcije. Teorijsko predviđanje kvalitativno opisuje izmjerenu silu, no postoje male kvantitativne razlike za koje je opisan razlog nastajanja. Konačno, prikazani su rezultati istovremenog hlađenja dvije vrste atoma s frekventnim češljem. Frekventni češalj međudjeluje s dvije vrste atoma u jednoj dimenziji, s σ^+^σ- polariziranim zrakama. Temperatura je određena tehnikom mjerenja vremena proleta. Izmjerene temperature slažu se s teorijskim predviđanjem te je minimalna izmjerena temperatura bliska Dopplerovoj temperaturi. U petom poglavlju predstavljeno je istraživanje efekta elektromagnetski inducirane transparencije (EIT) te realizacija kvantne memorije bazirane na EIT efektu. Ukratko je predstavljena teorijska pozadina efekta te je objašnjen eksperimentalni postav. Istraživanje je temeljeno na proučavanju efekta dekoherencije osnovnog stanja te njegovom utjecaju na svojstva kvantne memorije. Koristili smo tri različite kivete s atomima 85^Rb koje imaju različite premaze i punjenja plemenitim plinom. Ti premazi i punjenja smanjuju dekoherenciju koja negativno utječe na svojstva kvantne memorije. Za kivetu s najmanjom dekoherencijom izmjerena je najveća efikasnost kvantne memorije i najdulje vrijeme pohranjivanja pulseva u mediju. U posljednjem poglavlju izloženi su glavni rezultati predstavljeni u doktorskom radu te je dan uvid u buduća istraživanja koja su bazirana na rezultatima prikazanima u ovom radu.

• Ključne riječi: laser cooling; frequency comb; Dopper temperature; dual-species MOT; EIT; quantum memories; ground state decoherence
• Ključne riječi (hrvatski): lasersko hlađenje; frekventni češalj; Dopplerova temperatura; magneto-optička stupica s dvije vrste atoma; elektromagnetski inducirana transparencija; kvantne memorije; dekoherencija osnovnog stanja
• Jezik: engleski
• URN:NBN: urn:nbn:hr:217:069742
• Datum promocije: 2022
• Studijski program: Naziv: Fizika; Vrsta studija: sveučilišni; Stupanj studija: poslijediplomski doktorski; Akademski / stručni naziv: doktor/doktorica znanosti, područje prirodnih znanosti, polje fizika (dr. sc.)
• Vrsta resursa: Tekst
• Opseg: 114 str.
• Način izrade datoteke: Izvorno digitalna
• Prava pristupa: Otvoreni pristup
• Datum i vrijeme pohrane: 2022-12-16 13:13:03