Benutzer:Qcomp/Elektromagnetisch induzierte Transparenz

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Der Effekt von EIT auf eine typische Absorptionslinie. Ein schwacher Probenstrahl wird normalerweise absorbiert (blau). Ein zweiter Kopplungsstrahl induziert EIT, d.h., er erzeugt ein transparentes "Fenster" in der Absorptionsregion (rot). Die Figur ist eine Computersimulation von EIT in einem InAs/GaAs Quantenpunkt.

Elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT) ist ein kohärenter nichtlinearer optischer Prozess, der ein Medium in einem engen Frequenzbereich innerhalb einer Absorptionslinie transparent macht. Innerhalb dieses Transparenzfensters tritt zudem sehr starke Dispersion auf, die unter anderem zum weiter unten beschriebenen "langsamen Licht" führt. EIT ist im wesentlichen ein quantenmechanischer Interferenzeffekt, bei dem destruktive Interferenz die Absorption verhindert und die Ausbreitung des Lichts im ansonsten undurchsichtigen Medium erlaubt. Der Effekt wurde von Olga Kocharovskaya und Ya. I. Khanin in der Sowjetunion und unabhängig von diesen von Stephen E. Harris in den USA vorhergesagt und 1990 erstmals beobachtet.

Zur Realisierung von EIT benötigt man zwei elektromagnetische Felder hoher Kohärenz (z.B. Laserstrahlen), die als Probenfeld und Kopplungsfeld bezeichnet werden und die in Frequenz und Polarisation geeignet auf drei interne atomare Zustände des betrachteten Materials abgestimmt sind. Das Probenfeld wird nahe der Resonanz zwischen zwei Zuständen gestimmt und misst das Absorptionsspektrum des Übergangs. Das (stärkere) Kopplungsfeld wird auf einen anderen Übergang zwischen den drei Zuständen (vgl. Abbildung) gestimmt. Bei geeigneter Wahl der Zustände und Frequenzen verändert der Kopplungsstrahl die atomaren Energieeigenzustände derart, dass sich ein Dunkelzustand ausbildet, in dem das Material transparent für den Probenstrahl wird.

Eng verwandt mit EIT ist das Phänomen des kohärenten Populationseinfangs (engl.: coherent population trapping, CPT).

Voraussetzungen

Drei elementare Levelschemata für EIT: V-, Leiter- und $\Lambda$-Schemata. Die gestrichelte Pfeil bezeichnet jeweils den verbotenen Übergang, die durchgezogenen Pfeile erlaubten Übergänge.

An einfachsten ist EIT in Materialien zu verstehen, bei denen nur drei atomare Zustände für die von Probe- und Kontrollstrahl angeregten Übergänge relevant sind und nur zwei der drei Übergänge zwischen den drei Zuständen "erlaubt" sind, während der dritte Übergang "verboten" ist (zum Beispiel durch die Dipol-Auswahlregeln). Dann werden die drei Zustände durch die zwei quasi-resonanten Laserfelder, den Kopplungsstrahl mit Frequenz $\omega _{k}$und den Probestrahl mit Frequenz $\omega _{p}$, wie in der nebenstehenden Abbildung gezeigt, miteinander verbunden. Hierbei bezeichnet $|1\rangle$ jeweils den energetisch niedrigstliegenden Zustand der Konfiguration. Die drei beispielhaften Anordnungen der Energielevel werden als V-, Leiter- beziehungsweise $\Lambda$-Konfiguration bezeichnet. In jedem Fall ist einer der drei Zustände durch die Laserfelder mit den anderen beiden verbunden, diese jedoch nicht miteinander.

Für die Realisierung von EIT sind auch die Dephasierungs- und Zerfallsraten der verschiedenen Zustände wichtig. Vor allem der Zustand $|3\rangle$ sollte ein robuster metastabiler Zustand sein.

EIT ist in zahlreichen physikalischen Systemen nachgewiesen und untersucht worden. Sie reichen von atomaren Gasen niedriger Dichte über einzelne Atome in optischen Resonatoren zu Festkörpersystemen wie Defektatomen oder Quantenpunkten in Halbleitern. Im allgemeinen wird ein optisch dichtes Medium benötigt, in welchem dann die Transparenz induziert wird. Das setzt entweder eine grosse Zahl identischer Absorber (wie der Atome im Gas) oder ein sehr stark and elektromagnetische Feld koppelndes System (wie das Atom im Resonator) voraus. In manchen Experimenten wird auch eins der Laserfelder durch ein Mikrowellenfeld oder einen mechanischen Oszillator ersetzt. Im letzteren Fall spricht man dann auch von elektromechanisch oder optomechanisch induzierter Transparenz.

Theorie

EIT was first proposed theoretically by professor Jakob Khanin and graduate student Olga Kocharovskaya at Gorky State University (present: Nizhny Novgorod), Russia; there are now several different approaches to a theoretical treatment of EIT. One approach is to extend the density matrix treatment used to derive Rabi oscillation of a two-state, single field system. In this picture the probability amplitude for the system to transfer between states can interfere destructively, preventing absorption. In this context, "interference" refers to interference between quantum events (transitions) and not optical interference of any kind. As a specific example, consider the lambda scheme shown above. Absorption of the probe is defined by transition from $|1\rangle$ to $|2\rangle$. The fields can drive population from $|1\rangle$-$|2\rangle$ directly or from $|1\rangle$-$|2\rangle$-$|3\rangle$-$|2\rangle$. The probability amplitudes for the different paths interfere destructively. If $|3\rangle$ has a comparatively long lifetime, then the result will be a transparent window completely inside of the $|1\rangle$-$|2\rangle$ absorption line.

Another approach is the "dressed state" picture, wherein the system + coupling field Hamiltonian is diagonalized and the effect on the probe is calculated in the new basis. In this picture EIT resembles a combination of Autler-Townes splitting and Fano interference between the dressed states. Between the doublet peaks, in the center of the transparency window, the quantum probability amplitudes for the probe to cause a transition to either state cancel.

A polariton picture is particularly important in describing stopped light schemes. Here, the photons of the probe are coherently "transformed" into "dark state polaritons" which are excitations of the medium. These excitations exist (or can be "stored") for a length of time dependent only on the dephasing rates.

Experimente

Seit dem ersten Nachweis 1990 in einem Strontium-Gas ist EIT in einer Vielzahkl von Systemen beobachtet und untersucht worden.

Für die Experimente zu Quantenspeichern (quantum memories) und gestopptem Licht wurden kalte atomare Gase sehr niedriger Dichte oder Bose-Einstein-Kondensate verwendet. Zudem wurde EIT auch schon mit einzelnen Atomen in optischen Resonatoren, mit Josephson-Schaltkreisen in supraleitenden Mikrowellenresonatoren sowie in Festkörpersystemen und Halbleiter-Nanostrukturen wie Quantentöpfen, Quantendrähten und Quantenpunkten untersucht, wobei statt rein elektromagnetischer Anregung auch elektromechanische oder optomechanische Experimente durchgeführt wurden, bei denen eins der Laserfelder durch einen mechanischen Oszillator ersetzt wurde. Man spricht in diesen Fällen dann auch von elektromechanisch oder optomechanisch induzierter Transparenz.

Anwendungen

Slow light and stopped light

Datei:EIT dispersion.jpg

Rapid change of index of refraction (blue) in a region of rapidly changing absorption (gray) associated with EIT. The steep and positive linear region of the refractive index in the center of the transparency window gives rise to slow light

It is important to realize that EIT is only one of many diverse mechanisms which can produce slow light. The Kramers–Kronig relations dictate that a change in absorption (or gain) over a narrow spectral range must be accompanied by a change in refractive index over a similarly narrow region. This rapid and positive change in refractive index produces an extremely low group velocity. The first experimental observation of the low group velocity produced by EIT was by Boller, İmamoğlu, and Harris at Stanford University in 1991 in strontium. In 1999 Lene Hau reported slowing light in a medium of ultracold sodium atoms, achieving this by using quantum interference effects responsible for electromagnetically induced transparency (EIT). Her group performed copious research regarding EIT with Stephen E. Harris. "Using detailed numerical simulations, and analytical theory, we study properties of micro-cavities which incorporate materials that exhibit Electro-magnetically Induced Transparency (EIT) or Ultra Slow Light (USL). We find that such systems, while being miniature in size (order wavelength), and integrable, can have some outstanding properties. In particular, they could have lifetimes orders of magnitude longer than other existing systems, and could exhibit non-linear all-optical switching at single photon power levels. Potential applications include miniature atomic clocks, and all-optical quantum information processing." The current record for slow light in an EIT medium is held by Budker, Kimball, Rochester, and Yashchuk at U.C. Berkeley in 1999. Group velocities as low as 8 m/s were measured in a warm thermal rubidium vapor.

Stopped light, in the context of an EIT medium, refers to the coherent transfer of photons to the quantum system and back again. In principle, this involves switching off the coupling beam in an adiabatic fashion while the probe pulse is still inside of the EIT medium. There is experimental evidence of trapped pulses in EIT medium. In authors created a stationary light pulse inside the atomic coherent media. In 2009 researchers from Harvard University and MIT demonstrated a few-photon optical switch for quantum optics based on the slow light ideas. Lene Hau and a team from Harvard University were the first to demonstrate stopped light.

Laserkühlung

Die Quanteninterferenz, die zu EIT führt, kann auch zum Laserkühlen gefangener Atome in den quantenmechanischen Grundzustand der Bewegung genutzt werden.

Präzisionsmessung

Ausnutzung von EIT/Zweiphotonenresonanz zur Spektroskopie mit Auflösung unterhalb der Linienbreite des verwendeten dipolerlaubten Übergangs.

Siehe auch

• Atomare Kohärenz
• Elektromagnetisch induziertes Gitter
• Coherent Population Trapping
• Optomechanisch induzierte Transparenz
• Dunkelzustand
• STIRAP

Literatur

Originalarbeiten

• O. Kocharovskaya und Ya. I. Khanin: Population trapping and coherent bleaching of a three-level medium by a periodic train of ultrashort pulses. In: Sov. Phys. JETP. Band 63, 1986, S. 945 (englisch, jetp.ac.ru [PDF]). 
• K. J. Boller, A. İmamoğlu und S. E. Harris: Observation of electromagnetically induced transparency. In: Phys. Rev. Lett. Band 66, 1991, S. 2593, doi:10.1103/PhysRevLett.66.2593 (englisch). 
• J. H. Eberly, M. L. Pons und H. R. Haq: Dressed-field pulses in an absorbing medium. In: Phys. Rev. Lett. Band 72, 1994, S. 56, doi:10.1103/PhysRevLett.72.56 (englisch). 
• D. Budker, D. F. Kimball, S. M. Rochester und V. V. Yashchuk: Nonlinear Magneto-optics and Reduced Group Velocity of Light in Atomic Vapor with Slow Ground State Relaxation. In: Phys. Rev. Lett. Band 83, 1999, S. 1767, doi:10.1103/PhysRevLett.83.1767 (englisch). 
• Lene Vestergaard Hau, S.E. Harris, Zachary Dutton, Cyrus H. Behroozi, Nature v.397, p594 (1999)
• D. F. Phillips, M. Fleischhauer, A. Mair, R. L. Walsworth und M. D. Lukin: Storage of Light in Atomic Vapor. In: Phys. Rev. Lett. Band 86, 2001, S. 783, doi:10.1103/PhysRevLett.86.783 (englisch, free access). 
• Naomi S. Ginsberg, Sean R. Garner, Lene Vestergaard Hau: Coherent control of optical information with matter wave dynamics. In: Nature. Band 445, 2007, S. 623, doi:10.1038/nature05493 (englisch). 
• Chien Liu, Zachary Dutton, Cyrus H. Behroozi, Lene Vestergaard Hau: Observation of coherent optical information storage in an atomic medium using halted light pulses. In: Nature. Band 409, S. 490, doi:10.1038/35054017 (englisch). 

Übersichtsartikel und Lehrbücher

• S. Harris (July, 1997). Electromagnetically Induced Transparency. Physics Today, 50 (7), pp. 36–42 (PDF Format)
• Zachary Dutton, Naomi S. Ginsberg, Christopher Slowe und Lene Vestergaard Hau (2004) The art of taming light: ultra-slow and stopped light. Europhysics News Vol. 35 No. 2
• M. Fleischhauer, A. İmamoğlu and J. P. Marangos: Electromagnetically induced transparency: Optics in Coherent Media. In: Rev. Mod. Phys. Band 77, 2005, S. 633, doi:10.1103/RevModPhys.77.633 (englisch). 
• Marlan O. Scully und M. Suhail Zubairy: Quantum Optics. Cambridge University Press, 1997, ISBN 0-521-43595-1, 7.3 (englisch). 

Einzelnachweise

Kategorie:Quantenoptik