ZPOMALENÉ A ZASTAVENÉ SVĚTLO. A. Kalvová, FZÚ AV ČR, Praha a B. Velický, MFF UK a FZÚ AV ČR, Praha

ZPOMALENÉ A ZASTAVENÉ SVĚTLO A. Kalvová, FZÚ AV ČR, Praha a B. Velický, MFF UK a FZÚ AV ČR, Praha

... po pěti letech A. Kalvová, FZÚ AV ČR, Praha a B. Velický, MFF UK a FZÚ AV ČR, Praha

historicky první, ale naprosto typický výsledek experimentu FZÚ AV ČR 3

sodíková D-čára FZÚ AV ČR 4

obálka pulsu na vstupu sodíková D-čára FZÚ AV ČR 5

obálka pulsu na vstupu obálka pulsu na výstupu sodíková D-čára 7.05 μs FZÚ AV ČR 6

obálka pulsu na vstupu obálka pulsu na výstupu sodíková D-čára v G = 6 9 10 m 1 = 3.5 ms 6 7.05 10 s FZÚ AV ČR 7

BEC??? obálka pulsu na vstupu obálka pulsu na výstupu sodíková D-čára v G = 6 9 10 m 1 = 3.5 ms 6 7.05 10 s FZÚ AV ČR 8

Vývoj 1999 004 1999 000 001 00 003 004 atomová pára T 0 zpomalení FZÚ AV ČR 9

Vývoj 1999 004 1999 000 001 00 003 004 atomová pára T 0 zpomalení atomová pára T R.T. zpomalení FZÚ AV ČR 10

Vývoj 1999 004 1999 000 001 00 003 004 atomová pára T 0 zpomalení zastavení atomová pára T R.T. zpomalení zastavení FZÚ AV ČR 11

Vývoj 1999 004 1999 000 001 00 003 004 atomová pára T 0 zpomalení zastavení atomová pára T R.T. zpomalení zastavení krystal s def. T 5 K zpomalení & zastavení krystal s def. T R.T. zpomalení FZÚ AV ČR 1

Vývoj 1999 004 1999 000 001 00 003 004 atomová pára T 0 zpomalení zastavení pomalé světlo a BEC atomová pára T R.T. zpomalení zastavení krystal s def. T 5 K zpomalení & zastavení krystal s def. T R.T. zpomalení nové principy (makroskopické jevy) FZÚ AV ČR 13

Vývoj 1999 004 1999 000 001 00 003 004 atomová pára T 0 zpomalení zastavení pomalé světlo a BEC atomová pára T R.T. zpomalení zastavení "PLYN" TÉMĚŘ NEZÁVISLÝCH ATOMŮ V KOHERENTNÍ INTERAKCI SE SVĚTLEM krystal s def. T 5 K zpomalení & zastavení krystal s def. T R.T. zpomalení dnes nediskutujeme nové principy (makroskopické jevy) FZÚ AV ČR 14

Zpomalené a zastavené světlo v řídkých atomárních soustavách... dnešní téma Makroskopický popis zpomalení i úplné zastavení světla... malá grupová rychlost v g podmínka: vysoká disperse a malá absorpce kolem nosné frekvence pulsu Možnosti: na základě jevů kvantové koherence světla a hmotné soustavy Elektromagneticky Indukovaná Transparence -- EIT... navrhováno dávno v teoretické kvantové optice 1969 koherentní oscilace obsazení hladin... teoreticky objeveno a zkoumáno od r. 1981 Realisace: počínajíc rokem 1999, stále v rozvoji v experimentální oblasti laserová spektroskopie vysokého rozlišení volba, příprava a ovládání atomárních systémů v teoretické oblasti kvantová optika atomová fysika FZÚ AV ČR 15

AKT I. ZPOMALENÉ SVĚTLO pohled makroskopické fysiky pohled kvantové optiky pohled atomové fysiky a konkrétní experimenty

Pohled makroskopické fysiky puls jako vlnové klubko v dispergujícím prostředí výrazy pro grupovou rychlost makroskopická elektrodynamika hmotných prostředí Maxwellovy rovnice, materiálový vztah, elmg. vlny komplexní index lomu, Kramers-Kronigovy relace podmínky pro zpomalení a zastavení světla

Šíření vlnových pulsů v dispergujícím prostředí rovinná monochromatická vlna fázová rychlost vlny o frekvenci ω index lomu u φ (Moivre e i = cosφ + i sinφ ). ( x, t) = cos( ω [ t x / vf ( ω )] ) = cos( ω [ t n( ω ) x / c] ) = Re { exp ( iω [ t n( ω ) x / c] )} v f ( ( ω) ( ω) n = c / v f f á z e FZÚ AV ČR 18

Šíření vlnových pulsů v dispergujícím prostředí rovinná monochromatická vlna fázová rychlost vlny o frekvenci ω index lomu u ( x, t) = cos( ω [ t x / vf ( ω )] ) = cos( ω [ t n( ω ) x / c] ) = Re { exp ( iω [ t n( ω ) x / c] )} φ (Moivre e i = cosφ + i sinφ ). v f ( ( ω) ( ω) n = c / v f f á z e bezdispersní prostředí v f n ( ω) = c ( ω) = 1 FZÚ AV ČR 19

Šíření vlnových pulsů v dispergujícím prostředí II. puls o nosné frekvenci ω vlnové klubko lineární superposice rovinných vln u fáze do lineární aproximace podle η ϖ grupový index lomu dϖ = π ω δ < ϖ = ω + η < ω + δ ( x, t) A( ϖ ) exp( iϖ [ t n( ϖ ) x / c] ) [ t n( ϖ ) x c] = ω [ t n( ω) x / c] + η [ t n( ω) x / c] ( ω) d n / ω η x dω ( ω ) = n( ω ) n + g d n ω d ( ω ) ω / c FZÚ AV ČR 0

u u Šíření vlnových pulsů v dispergujícím prostředí II. puls o nosné frekvenci ω vlnové klubko dη = π ( x, t) exp( iω [ t n( ω) x / c] ) A( ω + η) exp iη t n ( ω) ( x, t) = exp( iω [ t x / v ( ω) ]) A t x / v ( ω) f ( ) g ( [ x / c] ) g nosná vlna obálka pulsu fázová rychlost grupová rychlost f ( ω) = c n( ω) v g ( ω) = c / ng ( ω) v / index lomu grupový index lomu n( ω ) ( ω ) = n( ω ) n + ω 1 < n < 4?????? g d n ( ω ) d ω FZÚ AV ČR 1

Šíření vlnových pulsů v dispergujícím prostředí II. puls o nosné frekvenci ω vlnové klubko u u dη = π ( x, t) exp( iω [ t n( ω) x / c] ) A( ω + η) exp iη t n ( ω) ( x, t) = exp( iω [ t x / v ( ω) ]) A t x / v ( ω) f nosná vlna obálka pulsu fázová rychlost grupová rychlost index lomu grupový index lomu ( ω ) = n( ω ) n + ω g ( ) f ( ω) = c n( ω) v g ( ω) = c / ng ( ω) v / n( ω ) ( [ x / c] ) ( ω ) d ω 1 < n < 4?????? rozhodující je disperse indexu lomu g d n g FZÚ AV ČR

Šíření vlnových pulsů v dispergujícím prostředí III. v bezdispersním prostředí se fáze a obálka pulsu pohybují společně, v f = v g v dispersivním prostředí fáze předbíhá obálku pulsu nízké frekvence -- vysoké, v f >v g souřadnice x čas t souřadnice x čas t FZÚ AV ČR 3

Elektrodynamika hmotných (spojitých) prostředí Výchozí otázka: fysikální původ indexu lomu ½ odpovědi Maxwellovy rovnice (neomezená homogenní isotropní látka) rote rotb divd divb D = B = μ0d = 0 = 0 = ε E + P 0 odpovědi materiálový vztah uzavírá soustavu rovnic pro pole. lokální, lineární, kausální P t ( r, t ) = ε 0 dt' χ( t t' ) E( r, t' ) funkce odezvy (paměťová funkce) -- mikroskopický výpočet nutný FZÚ AV ČR 4

Elektrodynamika hmotných (spojitých) prostředí Výchozí otázka: fysikální původ indexu lomu ½ odpovědi Maxwellovy rovnice (neomezená homogenní isotropní látka) dynamické rovnice okrajové podmínky rote rotb divd divb D = B = μ0d = 0 = 0 = ε E + P 0 odpovědi materiálový vztah uzavírá soustavu rovnic pro pole. lokální, lineární, kausální P t ( r, t ) = ε 0 dt' χ( t t' ) E( r, t' ) funkce odezvy (paměťová funkce) -- mikroskopický výpočet nutný FZÚ AV ČR 5

Elektrodynamika hmotných (spojitých) prostředí Výchozí otázka: fysikální původ indexu lomu ½ odpovědi Maxwellovy rovnice (neomezená homogenní isotropní látka) dynamické rovnice okrajové podmínky rote rotb divd divb D = B = μ0d = 0 = 0 = ε E + P 0 posunutí vakua polní komponenta induk. polarisace hmotná komponenta odpovědi materiálový vztah uzavírá soustavu rovnic pro pole. lokální, lineární, kausální P t ( r, t ) = ε 0 dt' χ( t t' ) E( r, t' ) funkce odezvy (paměťová funkce) -- mikroskopický výpočet nutný FZÚ AV ČR 6

Elektrodynamika hmotných (spojitých) prostředí Výchozí otázka: fysikální původ indexu lomu ½ odpovědi Maxwellovy rovnice (neomezená homogenní isotropní látka) dynamické rovnice okrajové podmínky rote rotb divd divb D = B = μ0d = 0 = 0 = ε E + P 0 posunutí vakua polní komponenta induk. polarisace hmotná komponenta odpovědi materiálový vztah uzavírá soustavu rovnic pro pole. lokální, lineární, kausální P t ( r, t ) = ε 0 dt' χ( t t' ) E( r, t' ) funkce odezvy (paměťová funkce) -- mikroskopický výpočet nutný FZÚ AV ČR 7

Elektrodynamika hmotných (spojitých) prostředí Výchozí otázka: fysikální původ indexu lomu ½ odpovědi Maxwellovy rovnice (neomezená homogenní isotropní látka) dynamické rovnice okrajové podmínky rote rotb divd divb D = B = μ0d = 0 = 0 = ε E + P 0 posunutí vakua polní komponenta induk. polarisace hmotná komponenta odpovědi materiálový vztah uzavírá soustavu rovnic pro pole. lokální, lineární, kausální t P r, t = ε 0 dt' χ t t' E r, t' ( ) ( ) ( ) funkce odezvy (paměťová funkce) -- mikroskopický výpočet nutný FZÚ AV ČR 8

Elektrodynamika hmotných (spojitých) prostředí Výchozí otázka: fysikální původ indexu lomu ½ odpovědi Maxwellovy rovnice (neomezená homogenní isotropní látka) dynamické rovnice okrajové podmínky rote rotb divd divb D = B = μ0d = 0 = 0 = ε E + P 0 posunutí vakua polní komponenta induk. polarisace hmotná komponenta odpovědi materiálový vztah uzavírá soustavu rovnic pro pole. lokální, lineární, kausální P t ( r, t ) = ε 0 dt' χ( t t' ) E( r, t' ) funkce odezvy (paměťová funkce) FZÚ AV ČR 9

Elektrodynamika hmotných (spojitých) prostředí Výchozí otázka: fysikální původ indexu lomu ½ odpovědi Maxwellovy rovnice (neomezená homogenní isotropní látka) dynamické rovnice okrajové podmínky rote rotb divd divb D = B = μ0d = 0 = 0 = ε E + P 0 posunutí vakua polní komponenta induk. polarisace hmotná komponenta odpovědi materiálový vztah uzavírá soustavu rovnic pro pole. lokální, lineární, kausální P t ( r, t ) = ε 0 dt' χ( t t' ) E( r, t' ) funkce odezvy (paměťová funkce) -- mikroskopický výpočet FZÚ AV ČR 30

Elektrodynamika hmotných (spojitých) prostředí Výchozí otázka: fysikální původ indexu lomu ½ odpovědi Maxwellovy rovnice (neomezená homogenní isotropní látka) dynamické rovnice okrajové podmínky rote rotb divd divb D = B = μ0d = 0 = 0 = ε E + P 0 posunutí vakua polní komponenta induk. polarisace hmotná komponenta odpovědi materiálový vztah uzavírá soustavu rovnic pro pole. lokální, lineární, kausální P t ( r, t ) = ε 0 dt' χ( t t' ) E( r, t' ) FYSIKA funkce odezvy (paměťová funkce) -- mikroskopický výpočet FZÚ AV ČR 31

Materiálový vztah a komplexní index lomu N materiálový vztah dosadíme zkusmo rovinnou vlnu, Vektor polarisace P je pak rovněž tvaru rovinné vlny, komplexní susceptibilita Fourierova transformace funkce odezvy Maxw. r. podmínka řešitelnosti P t ( r, t ) = ε 0 dt' χ( t t' ) E( r, t' ) E = Aexp P χ ( i ω[ t N ( ω) x / c] ) ( r, t ) = ε 0χ( ω) E( r,t) ( ω) = dt' χ( t' ) exp( iω t' ) 0 [ N ( ω) ] = 1+ χ( ω) N = ε r komplexní index lomu FZÚ AV ČR 3

Materiálový vztah a komplexní index lomu N materiálový vztah dosadíme zkusmo rovinnou vlnu, Vektor polarisace P je pak rovněž tvaru rovinné vlny, komplexní susceptibilita Fourierova transformace funkce odezvy Maxw. r. podmínka řešitelnosti P t ( r, t ) = ε 0 dt' χ( t t' ) E( r, t' ) E = Aexp P χ ( i ω[ t N ( ω) x / c] ) ( r, t ) = ε 0χ( ω) E( r,t) ( ω) = dt' χ( t' ) exp( iω t' ) 0 [ N ( ω) ] = 1+ χ( ω) N = ε r komplexní index lomu komplexní permitivita FZÚ AV ČR 33

Materiálový vztah a komplexní index lomu N materiálový vztah dosadíme zkusmo rovinnou vlnu, Vektor polarisace P je pak rovněž tvaru rovinné vlny, komplexní susceptibilita Fourierova transformace funkce odezvy Maxw. r. podmínka řešitelnosti P t ( r, t ) = ε 0 dt' χ( t t' ) E( r, t' ) E = Aexp P χ ( i ω[ t N ( ω) x / c] ) ( r, t ) = ε 0χ( ω) E( r,t) ( ω) = dt' χ( t' ) exp( iω t' ) 0 [ N ( ω) ] = 1+ χ( ω) N = ε r komplexní index lomu komplexní permitivita Maxwellův vztah FZÚ AV ČR 34

N Kramers-Kronigova relace ( ω) = n ( ω) + i k( ω) komplexní index lomu = index lomu + i extinkční koeficient (útlum/absorpce vlny) Kramers-Kronigova relace: refrakce a absorpce nejsou nezávislé χ ( ω) = χ' ( ω) + iχ" ( ω) = dt χ() t exp( iω t ) dvě 0 jedna reálná funkce K-K relace je integrální transformace n π η ω η ( ω) = 1+ dη k( η) 0 FZÚ AV ČR 35

N Kramers-Kronigova relace ( ω) = n ( ω) + i k( ω) komplexní index lomu = index lomu + i extinkční koeficient (útlum/absorpce vlny) Kramers-Kronigova relace: refrakce a absorpce nejsou nezávislé K-K relace je integrální transformace n π η ω η ( ω) = 1+ dη k( η) 0 Bez absorpce není disperse FZÚ AV ČR 36

Kramers-Kronigova relace a lokální struktura n a k N ( ω) = n ( ω) + i k( ω) komplexní index lomu = index lomu + i extinkční koeficient (útlum/absorpce vlny) Kramers-Kronigova relace: refrakce a absorpce nejsou nezávislé K-K relace je integrální transformace n π η ω η ( ω) = 1+ dη k( η) 0 Bez absorpce není disperse ale jádro integrálu je silně singulární pro η = ω FZÚ AV ČR 37

Kramers-Kronigova relace a lokální struktura n a k (útlum/absorpce vlny) komplexní index lomu = index lomu + i extinkční koeficient Kramers-Kronigova relace: refrakce a absorpce nejsou nezávislé K-K relace je integrální transformace Bez absorpce není disperse lokální vztahy N n ( ω) = n ( ω) + i k( ω) π η ω η ( ω) = 1+ dη k( η) 0 ale jádro integrálu je silně singulární pro η = ω k(ω) maximum minimum vzestup pokles n(ω) pokles vzestup maximum minimum FZÚ AV ČR 38

K-K relace a lokální struktura n a k : výchozí model Dvě Lorentzovy linie Výchozí model: N ( ω) = 1+ ω 0 Γ ω iγ p ω 0 γ ω iγ Γ = 5, p =.9, γ = 0,5 FZÚ AV ČR 39

K-K relace a lokální struktura n a k : výchozí model Výchozí model: N ( ω) = 1+ ω 0 Γ ω + iγ Dvě Lorentzovy linie γ p ω ω iγ 0 Γ = 5, p =.9, γ = 0,5 modrá homogenně rozšířená absorpční linie disperse střídá se normální anomální normální FZÚ AV ČR 40

K-K relace a lokální struktura n a k : výchozí model Výchozí model: N ( ω) = 1+ ω 0 Γ ω iγ Dvě Lorentzovy linie + - γ p ω ω iγ 0 Γ = 5, p =.9, γ = 0,5 modrá homogenně rozšířená absorpční linie disperse střídá se normální anomální normální červená úzká "anti-absorpce"... okno průhlednosti disperse strmý téměř lineární nárůst indexu lomu FZÚ AV ČR 41

K-K relace a lokální struktura n a k : výchozí model Výchozí model: N ( ω) = 1+ ω 0 Γ ω iγ Dvě Lorentzovy linie + - γ p ω ω iγ 0 Γ = 5, p =.9, γ = 0,5 modrá homogenně rozšířená absorpční linie disperse střídá se normální anomální normální červená úzká "anti-absorpce"... okno průhlednosti disperse strmý téměř lineární nárůst indexu lomu lokální vztahy mezi n a k FZÚ AV ČR 4

K-K relace a lokální struktura n a k : výchozí model Výchozí model: N ( ω) = 1+ ω 0 Γ ω iγ Dvě Lorentzovy linie + - γ p ω ω iγ 0 Γ = 5, p =.9, γ = 0,5 modrá homogenně rozšířená absorpční linie disperse střídá se normální anomální normální červená úzká "anti-absorpce"... okno průhlednosti disperse strmý téměř lineární nárůst indexu lomu lokální vztahy mezi n a k puls - naladěný na okno - spektrálně úzký ( dostatečně dlouhý)... zpomalený netlumený FZÚ AV ČR 43

K-K relace a lokální struktura n a k : výchozí model Výchozí model: N ( ω) = 1+ ω 0 Γ ω iγ Dvě Lorentzovy linie + - γ p ω ω iγ 0 Γ = 5, p =.9, γ = 0,5 modrá homogenně rozšířená absorpční linie disperse střídá se normální anomální normální červená úzká "anti-absorpce"... okno průhlednosti disperse strmý téměř lineární nárůst indexu lomu lokální vztahy mezi n a k puls - naladěný na okno - spektrálně úzký ( dostatečně dlouhý)... zpomalený netlumený kde hledat??? aktivní prostředí buzené pomocným laserem FZÚ AV ČR 44

K-K relace a lokální struktura n a k : výchozí model Výchozí model: N ( ω) = 1+ ω 0 Γ ω iγ Dvě Lorentzovy linie + - γ p ω ω iγ 0 Γ = 5, p =.9, γ = 0,5 HLUBŠÍ VÝZNAM modrá homogenně rozšířená absorpční linie disperse koherentní střídá se normální procesy anomální v normální červená aktivním úzká "anti-absorpce" (otevřeném)... okno průhlednosti disperse strmý téměř lineární nárůst indexu lomu prostředí lokální vztahy mezi n a k puls - naladěný na okno - spektrálně úzký ( dostatečně dlouhý)... zpomalený netlumený kde hledat??? aktivní prostředí buzené pomocným laserem FZÚ AV ČR 45

K-K relace a lokální struktura n a k : výchozí model Výchozí model: N ( ω) = 1+ ω 0 Γ ω iγ Dvě Lorentzovy linie + - γ p ω ω iγ 0 Γ = 5, p =.9, γ = 0,5 HLUBŠÍ VÝZNAM modrá homogenně rozšířená absorpční linie disperse koherentní střídá se normální procesy anomální v normální červená aktivním úzká "anti-absorpce" (otevřeném)... okno průhlednosti disperse strmý téměř lineární nárůst indexu lomu prostředí lokální vztahy mezi n a k puls - naladěný na okno - spektrálně úzký ( dostatečně dlouhý)... zpomalený netlumený kde hledat??? aktivní prostředí buzené pomocným laserem FZÚ AV ČR 46

Pohled kvantové optiky zředěný oblak dvouhladinových "atomů" atomová polarisovatelnost, komplexní index lomu zředěný oblak tříhladinových "atomů" (Λ-systém) kvantové provázání hladin, temné stavy, EIT a dál výsledný komplexní index lomu reálné podmínky pro zpomalení a zastavení světla

Optická odezva dvouhladinového atomu Δ γ 3 3 ω ωp 1 FZÚ AV ČR 48

Optická odezva dvouhladinového atomu Δ γ 3 3 ω ωp 1 základní stav (obsazený) excitovaný stav (prázdný, konečná doba života) FZÚ AV ČR 49

Optická odezva dvouhladinového atomu Δ γ 3 3 ω ωp 1 rozladění resonanční frekvence P... "probe", měřicí sonda proměnná frekvence P- laseru základní stav (obsazený) excitovaný stav (prázdný, konečná doba života) FZÚ AV ČR 50

Optická odezva dvouhladinového atomu ω Δ γ 3 ωp 1 3 rozladění resonanční frekvence P... "probe", měřicí sonda proměnná frekvence P- laseru kvantová Lorentzova resonance atomová susceptibilita: ε 0 α ( ω) P 1 1 μ13 μ13 = = ω ω iγ Δ iγ 3 oscilátorová mohutnost šířka optické linie 3 základní stav (obsazený) excitovaný stav (prázdný, konečná doba života) Bohrova resonanční podmínka FZÚ AV ČR 51

Optická odezva tříhladinového atomu: EIT Δ γ 3 3 Λ- systém atomových hladin 1... základní obsazený stav... nižší ze dvou excitovaných stavů ω ωp ω C prázdný, přechod 1 zakázaný 3... vyšší excit. stav, konečná šířka přechody 1 3, 3 dovolené 1 ω P ω C naladěná frekvence Probe laseru naladěná frekvence Coupling laseru Velmi produktivní systém v kvantové optice Zde jen EIT Elektromagneticky Indukovaná Transparence FZÚ AV ČR 5

Optická odezva tříhladinového atomu: EIT ω Δ γ 3 ωp 1 3 ω C Elektromagneticky Indukovaná Transparence 1. C-laser naladěný přesně na intensivní Rabiho frekvence Ω kvantové provázání prázdných stavů,3. P-laser naladěný přesně na nevybudí optické přechody 1 3. temné stavy EIT... P svazek prochází 3. Při rozladění C = 1 μ3 Δ=ω - ω P 0 E C ω C ω P pravděpodobnost přechodu strmě roste úzké okno průzračnosti velká positivní disperse indexu lomu FZÚ AV ČR 53

Optická odezva tříhladinového atomu: EIT Δ γ 3 3 Elektromagneticky Indukovaná Transparence ω ωp 1 Δ=ω - ω P ω C atomová susceptibilita (lineární) pro P svazek v přítomnosti C svazku ε 0 α ( ω) = 1 μ Δ iγ 13 3 ΩC + 4Δ Ω C = 1 μ3 E C FZÚ AV ČR 54

Optická odezva tříhladinového atomu: EIT Δ γ 3 3 Elektromagneticky Indukovaná Transparence Ω C ω ωp 1 Δ=ω - ω P = 1 μ3 E C ω C atomová susceptibilita (lineární) pro P svazek v přítomnosti C svazku ε 0 α ( ω) = 1 μ Δ iγ 13 3 ΩC + 4Δ návrat k dvouhladině FZÚ AV ČR 55

Optická odezva tříhladinového atomu: EIT Δ γ 3 3 Elektromagneticky Indukovaná Transparence ω ωp 1 Δ=ω - ω P ω C atomová susceptibilita (lineární) pro P svazek v přítomnosti C svazku ε 0 α ( ω) = 1 μ Δ iγ 13 3 ΩC + 4Δ Ω C = 1 μ3 E C FZÚ AV ČR 56

Optické konstanty prostředí při EIT zředěný plyn... malá hustota částic ρ relativní permitivita podmínka ε komplexní index lomu N = grupová rychlost v g r ( ω ) 1 + ρ α ( ω ) εr 1+ 1 ρ α C laser odpojen ("dvouhladina") C laser zapojen EIT c = n ω d d ω ω μ ( ) ω ρ α ε 0 ΩC c ρ P 13 ( ω) << 1 FZÚ AV ČR 57

Optické konstanty prostředí při EIT zředěný plyn... malá hustota částic ρ relativní permitivita podmínka ε komplexní index lomu N = grupová rychlost v g r ( ω ) 1 + ρ α ( ω ) εr 1+ 1 ρ α C laser odpojen ("dvouhladina") C laser zapojen EIT c = n ω d d ω ω μ ( ) ω ρ α ε 0 ΩC c ρ P 13 ( ω) << 1 FZÚ AV ČR 58

Pohled atomové fysiky a experimenty páry atomů alkalických kovů za nízkých teplot výběr Λ-systému pro grupovou rychlost páry atomů alkalických kovů za pokojových teplot potlačení Dopplerova jevu ionty vzácných zemin využití jevu "spectral hole burning" ionty přechodových kovů (chrom v rubínu) koherentní oscilace obsazení hladin

EIT objev a první pokusy teoretická práce S.E. Harris 1969 experiment S.E. Harris 1991 poprvé v parách alk. kovu shoda s teorií snížení absorpce 00 milion krát FZÚ AV ČR 60

čtyři výchozí práce FZÚ AV ČR 61

Pomalé světlo ve studených parách sodíku FZÚ AV ČR 6

Pomalé světlo v horkých parách rubidia Fysikální problém: tepelný pohyb atomů Dopplerův jev Posun frekvencí ω ω + ω P C P ω C + q q TERM při nízkých teplotách tento problém nevzniká P C v v TERM FZÚ AV ČR 63

Pomalé světlo v horkých parách rubidia Fysikální problém: tepelný pohyb atomů Dopplerův jev Posun frekvencí ω ω P C ω P ω C + + q q TERM při nízkých teplotách tento problém nevzniká P C v v nehomogenní rozšíření spektrálních čar TERM FZÚ AV ČR 64

Pomalé světlo v horkých parách rubidia Fysikální problém: tepelný pohyb atomů Dopplerův jev Posun frekvencí ω ω + ω P C P ω C TERM řešení Dopplerův posuv stejný pro oba svazky při společném působení se posuvy kompensují + q q P C v v TERM FZÚ AV ČR 65

Zpomalené světlo v krystalech Pr:YSO hyperjemná rozštěpení řádu MHz při optických frekvencích řádu 10 15 Hz problém: nehomogenní šířka řádu GHz FZÚ AV ČR 66

Zpomalené světlo v krystalech Pr:YSO hyperjemná rozštěpení řádu MHz při optických frekvencích řádu 10 15 Hz problém: nehomogenní šířka řádu GHz FZÚ AV ČR 67

Zpomalené světlo v krystalech Pr:YSO SPECTRAL HOLE BURNING FZÚ AV ČR 68

Zpomalené světlo v krystalech Pr:YSO Vytvoření EIT v Pr:YSO technikou vypálení spektrální díry vzniká (nekoherentní) okno v široké čáře excitací ("repump") v něm vytvořena úzká distribuce ("antidíra") ta je vlastně triplet homog. rozšíř. čar na prostřední je naladěn C laser, vzniká EIT FZÚ AV ČR 69

Zpomalené světlo v krystalech Pr:YSO výsledky srovnatelné se zředěnými atomovými parami FZÚ AV ČR 7

Zpomalené světlo v rubínu rubín Cr:Al O 3 při pokojové teplotě koherentní oscilace obsazení jednoduché zařízení FZÚ AV ČR 73

Zpomalené světlo v rubínu výsledky srovnatelné se zředěnými atomovými parami jsou však dosud ve vývoji FZÚ AV ČR 74

AKT II. ZASTAVENÉ SVĚTLO

Jak se dá zastavit světlo??? Tyto úvahy navázaly na zpomalení světla, byly však mnohem hlubší Zpomalený puls se prostorově smrští v poměru Příklad: puls trvá dobu je dlouhý ve vakuu při 30 m/s měří jen μs 600m 0 μm Může se celý vejít do EIT aktivního prostředí a dlouho tam pobýt Během této doby je možno jeho rychlost řídit regulací výkonu C- laseru, dá se i "zastavit" Otázka: je možná jeho rekuperace a opětné rozběhnutí? To by dávalo možnost nejenom zpožďování, ale i ukládání světelného pulsu do paměti Od statického k dynamickému EIT ( ω) / c 1 n ( ω) v = g / g FZÚ AV ČR 76

Jak se dá zastavit světlo??? ε 0 ΩC vg = c ω μ ρ P 13 extinkce intensita C-laseru frekvence disperse frekvence FZÚ AV ČR 77

Jak se dá zastavit světlo??? ε 0 ΩC vg = c ω μ ρ P 13 extinkce intensita C-laseru frekvence disperse frekvence FZÚ AV ČR 78

Jak se dá zastavit světlo??? ε 0 ΩC vg = c ω μ ρ P 13 extinkce # necháme puls celý vstoupit do látky # vypínáním C-laseru snižujeme grupovou rychlost až k nule # co se však stane po opětovném zapnutí??? intensita C-laseru frekvence frekvence disperse FZÚ AV ČR 79

Harvard opět první FZÚ AV ČR 80

Zastavené světlo v chladných parách sodíku FZÚ AV ČR 81

Zastavené světlo v chladných parách sodíku C laser IN OUT FZÚ AV ČR 8

tři publikované práce FZÚ AV ČR 83

tři publikované práce FZÚ AV ČR 84

Zastavené světlo v horkých parách rubidia FZÚ AV ČR 85

Zastavené světlo v horkých parách rubidia INTERFERMETRICKY PROKÁZANÁ KOHERENCE FZÚ AV ČR 86

Zastavené světlo v krystalech Pr:YSO FZÚ AV ČR 87

Jak se dá zastavit a opět vypustit světlo??? Připomenutí: v hmotném prostředí se světlo pojí s polarisací, výsledné je spojení obou EIT Možné stavy atomů 1 + P - světlo - hmotná excitace (stav 3 je virtuální a prostřednictvím C - fotonu oba koherentně propojí) FZÚ AV ČR 88

Jak se dá zastavit a opět vypustit světlo??? Připomenutí: v hmotném prostředí se světlo pojí s polarisací, výsledné je spojení obou EIT Možné stavy atomů RAMAN 1 + P - světlo - hmotná excitace (stav 3 je virtuální a prostřednictvím C - fotonu oba koherentně propojí) FZÚ AV ČR 89

Jak se dá zastavit a opět vypustit světlo??? Připomenutí: v hmotném prostředí se světlo pojí s polarisací, výsledné je spojení obou EIT Možné stavy atomů RAMAN 1 + P - světlo - hmotná excitace (stav 3 je virtuální a prostřednictvím C - fotonu oba koherentně propojí) P světlo propojí koherentně všechny excit. atomy... TEMNÝ POLARITON 1... "spin", spinová koherence jako kolektivní excitace v adiabatickém (pomalém) režimu P světlo spinová koherence FZÚ AV ČR 90

Jak se dá zastavit a opět vypustit světlo??? Výsledek teorie Při vypínání C laseru zároveň grupová rychlost klesá k nule hmotná excitace tvoří 100% temného polaritonu Zastavena je tedy koherentní excitace atomového podsystému. Po opětném uvolnění se koherentně a vratně promění zpět na světlo FZÚ AV ČR 91

AKT III. BEC A ZPOMALENÉ SVĚTLO

Přímé pozorování zpomaleného a zastaveného pulsu zobrazení pomocí CCD zobrazení všech atomů 1 základní stav BEC: D Gaussovka č a s selektivní zobrazení atomů ve stavu... "spinová koherence" puls venku dlouhý cca km vtéká... hustota oblaku roste po 5 μs je celý uvnitř, stlačený na 5 μm a zastaven srpkovitý tvar: na krajích je hustota BEC menší, grupová rychlost tedy větší... HAU FZÚ AV ČR 93

Atomový laser... HAU 45 4. cm/s FZÚ AV ČR 94

Atomový laser... HAU 45 4. cm/s kondensát -atomů tvarová změna... interference FZÚ AV ČR 95

Atomový laser... HAU 45 4. cm/s RAMAN P 1 3 C 3 kondensát -atomů tvarová změna... interference FZÚ AV ČR 96

ZÁVĚR: KAŽDÝ SI UDĚLEJ SÁM