Hoewel atoomklokken nu al de meest nauwkeurige tijdwaarnemingsapparaten in het universum zijn, werken natuurkundigen er hard aan om hun nauwkeurigheid nog verder te verbeteren. Eén manier is door gebruik te maken van spin-squeezed-toestanden in klokatomen.

Spin-squeezed states zijn verstrengelde toestanden waarin deeltjes in het systeem samenzweren om hun intrinsieke kwantumruis te annuleren. Deze toestanden bieden daarom grote kansen voor kwantumverbeterde metrologie, omdat ze nauwkeurigere metingen mogelijk maken. Toch zijn spin-squeezed-toestanden in de gewenste optische overgangen met weinig ruis van buitenaf moeilijk voor te bereiden en te behouden.

Een bijzondere manier om een ​​spin-squeezed-toestand, oftewel knijpen, te genereren, is door de klokatomen in een optische holte te plaatsen, een reeks spiegels waar licht vele malen heen en weer kan stuiteren. In de holte kunnen atomen hun fotonenemissies synchroniseren en een uitbarsting van licht uitzenden dat veel helderder is dan van welk atoom dan ook, een fenomeen dat superstraling wordt genoemd. Afhankelijk van hoe superstraling wordt gebruikt, kan dit leiden tot verstrengeling, of in plaats daarvan kan het de gewenste kwantumtoestand verstoren.

In een eerdere studie, uitgevoerd in een samenwerking tussen JILA en NIST Fellows, Ana Maria Rey en James Thompson, ontdekten de onderzoekers dat atomen met meerdere niveaus (met meer dan twee interne energietoestanden) unieke mogelijkheden bieden om superstralingsemissie te benutten door in plaats daarvan de atomen te induceren heffen elkaars uitstoot op en blijven donker.

Nu gerapporteerd in een paar nieuwe artikelen gepubliceerd in Physical Review Letters en Fysieke beoordeling A ontdekten Rey en haar team een ​​methode om niet alleen donkere toestanden in een holte te creëren, maar, nog belangrijker, deze toestanden te laten draaien. Hun bevindingen zouden opmerkelijke mogelijkheden kunnen bieden voor het genereren van verstrengelde klokken, die de grenzen van de kwantummetrologie op een fascinerende manier zouden kunnen verleggen.

Rollen in een donkere staat op een superstralende achtbaan

Rey en haar team bestuderen al jaren de mogelijkheid om superstraling te benutten door donkere toestanden in een holte te vormen. Omdat donkere toestanden unieke configuraties zijn waarbij de gebruikelijke paden van lichtemissie destructief interfereren, zenden deze toestanden geen licht uit. Rey en haar team hebben aangetoond dat donkere toestanden kunnen worden gerealiseerd wanneer atomen die in bepaalde begintoestanden zijn voorbereid, in een holte worden geplaatst.

Op deze manier voorbereid, zouden de kwantumtoestanden ongevoelig kunnen blijven voor de effecten van superstraling of lichtemissie in de holte. De atomen kunnen nog steeds licht uitstralen buiten de holte, maar in een tempo dat veel langzamer is dan superstraling.

Voormalig JILA postdoctoraal onderzoeker Asier Piñeiro Orioli, de hoofdonderzoeker in het eerdere onderzoek met Thompson, en ook een bijdrager aan de twee onlangs gepubliceerde onderzoeken, vond een eenvoudige manier om de opkomst van een donkere toestand in een holte te begrijpen in termen van wat zij noemden een superstralend potentieel.

Rey zegt:‘We kunnen ons het superstralingspotentieel voorstellen als een achtbaan waarin atomen rijden. Terwijl ze van de heuvel vallen, zenden ze gezamenlijk licht uit, maar ze kunnen vastlopen als ze een vallei bereiken. In de valleien vormen de atomen de donkere kern. toestanden en stop met het uitzenden van licht in de holte."

In hun eerdere werk met Thompson ontdekten de JILA-onderzoekers dat de donkere staten op zijn minst een beetje met elkaar verweven moeten zijn.

"De vraag die we in de twee nieuwe werken wilden beantwoorden, is of ze zowel duister als sterk verweven kunnen zijn", legt eerste auteur Bhuvanesh Sundar uit, een voormalig postdoctoraal onderzoeker bij JILA. "Het opwindende deel is dat we niet alleen hebben ontdekt dat het antwoord ja is, maar dat dit soort onder druk staande staten vrij eenvoudig te bereiden zijn."

Het creëren van zeer verstrengelde donkere staten

In de nieuwe onderzoeken hebben de onderzoekers twee mogelijke manieren bedacht om de atomen in sterk verstrengelde, spin-squeezed-toestanden voor te bereiden. Eén manier was door de atomen met een laser te laten schijnen om ze boven hun grondtoestand te activeren en ze vervolgens op speciale punten op het superstralingspotentieel te plaatsen, ook wel bekend als zadelpunten. Op de zadelpunten lieten de onderzoekers atomen in de holte ontspannen door de laser uit te schakelen. Interessant genoeg hervormen de atomen hun geluidsverdeling en worden ze sterk samengedrukt.

"De zadelpunten zijn valleien waar het potentieel tegelijkertijd nulkromming en nulhelling heeft", legt Rey uit. "Dit zijn speciale punten omdat atomen donker zijn maar op het punt staan ​​onstabiel te worden en daarom de neiging hebben hun geluidsverdeling te hervormen zodat ze samengedrukt raken."

De andere voorgestelde methode omvatte de overdracht van superstralende toestanden naar donkere toestanden. Hier vond het team ook andere speciale punten waar de atomen zich dicht bij speciale ‘heldere’ punten bevinden – niet in een vallei van de achtbaan, maar op punten zonder kromming – waar de wisselwerking tussen superstraling en een externe laser spin-squeezing genereert. .

"Het leuke is dat de spin-squeezing die op deze heldere punten wordt gegenereerd, vervolgens kan worden overgebracht naar een donkere toestand, waar we, na de juiste uitlijning, de laser kunnen uitschakelen en het knijpen kunnen behouden", voegt Sundar toe.

Deze overdracht werkt door eerst de atomen in een vallei van het superstralingspotentieel te drijven en vervolgens lasers met de juiste polarisaties (of richtingen van lichtoscillaties) te gebruiken om de samengedrukte richtingen coherent uit te lijnen, waardoor de samengedrukte toestanden immuun worden voor superstraling.

De overdracht van samengedrukte toestanden naar donkere toestanden behield niet alleen de verminderde ruiskarakteristieken van de samengedrukte toestanden, maar zorgde er ook voor dat ze konden overleven in de afwezigheid van aandrijving door een externe laser, een cruciale factor voor praktische toepassingen in de kwantummetrologie.

Terwijl het onderzoek werd gepubliceerd in Physical Review Letters gebruikte slechts één polarisatie van het laserlicht om spin-squeezing te veroorzaken, waardoor twee samengedrukte modi werden gegenereerd, de Fysieke beoordeling A paper ging nog verder met deze simulatie door beide polarisaties van laserlicht te gebruiken, wat resulteerde in vier spin-squeezed-modi (twee modi voor elke polarisatie).

‘In deze twee artikelen hebben we gekeken naar atomen met meerdere niveaus en veel interne niveaus’, zegt Piñeiro Orioli, ‘en het hebben van veel interne niveaus is moeilijker te simuleren dan het hebben van twee niveaus, wat vaak in de literatuur wordt bestudeerd. hulpmiddelen om deze systemen met meerdere niveaus op te lossen. We hebben een formule uitgewerkt om de verstrengeling te berekenen die wordt gegenereerd vanuit de begintoestand."

De bevindingen van deze onderzoeken kunnen verstrekkende gevolgen hebben voor atoomklokken. Door de beperkingen van superstraling te overwinnen via het genereren van donkere verstrengelde toestanden, slaan natuurkundigen de verstrengelde toestanden op door de atomen als geheugen te gebruiken (waardoor informatie uit deze toestanden kan worden opgehaald) of injecteren ze de verstrengelde toestand in een klok- of interferometerreeks voor kwantumstraling. -verbeterde metingen.

Meer informatie: Bhuvanesh Sundar et al., Atomen op meerdere niveaus samendrukken in donkere staten via Cavity Superradiance, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.033601. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2302.10828

Bhuvanesh Sundar et al., Gedreven dissipatieve vier-modus knijpen van atomen met meerdere niveaus in een optische holte, Fysieke recensie A (2024). DOI:10.1103/PhysRevA.109.013713. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2309.10717

Geleverd door JILA