Atom-foton interfész

Cél: A feladat egy atom-foton interfész rendszer megépítése, amelyben lézerrel hűtött és csapdázott rubídium atomok és egy egymódusú optikai rezonátorba zárt sugárzási mező fotonjai között kvantumos szinten kontrollált kölcsönhatást valósítunk meg. A rendszer különböző kvantuminformációs alkalmazások alapjául szolgálhat, mi a kvantummemmóriára és a mikrohullám-optikai frekvencia-konverzióra fókuszálunk.

Kvantummechanikai szintű manipulációhoz az atomokat és fotonokat a környezeti hatásoktól maximálisan el kell szigetelni, ezért a kísérleteket ultranagy-vákuumban (UHV) végezzük, és a lézerek és mágneses mezők zajszintjét extrém alacsony zajszintre kell csökkenteni. A vákuumkamrában párologtatott Rb atomokat gyors lézeres hűtéssel és a kamrán belül elhelyezett tekercsek mágneses terével megvalósított mágneses-optikai csapdába (MOT) fogjuk be. Az atomok vegyértékelektronjainak állapotait mágneses mezőkkel hangoljuk (Zeeman-hatás), és ezek között átmeneteket tudunk létrehozni a különböző frekvenciájú finomhangolt, frekvencia-stabilizált lézerekkel. A tekercsek áramának vezérlésével a csapdát alakítani tudjuk, ezzel a hideg atomfelhő mozgatható a kamrán belül, például így tudjuk a hideg atomokat az optikai rezonátorba juttatni, ahol kölcsönhatásba lépnek a fény kvantumjaival, a fotonokkal. Az optikai rezonátort két, egymással szembefordított, nagy reflexiójú tükör alkotja, ezek között jön létre optikai állóhullámú módus. A módus frekvenciáját az atomi referenciához kell rögzíteni a tükrök közötti távolságra történő aktív visszacsatolással, ehhez transzfer-rezonátort építettünk, amellyel széles hullámhossz-tartományba kiterjesztettük a Rb atomi frekvencia-referenciát. Egy kísérleti ciklusban szükséges több tucat manipulációs lépést precíz időzítéssel kell végrehajtani (áramok hangolása, akuszto-optikai modulátorok kapcsolása, kamerák képrögzítése, stb.), ezért egy programozható, mikroszekundumos időfelbontású folyamatvezérlőn keresztül végezzük a kísérleteket .

Eddigi előrehaladás: 2020. közepére a Wigner FK laborjában az atom-foton interfész elkészült, a teljes elrendezés összehangoltan működik, és készen áll kísérletek lefolytatására. A jelenlegi mérések célja a rendszer paramétereinek pontos meghatározása, a kvantumrendszerek (atomok és a rezonátor módusa) kontrollált működtetésének tesztelése (3. munkaszakasz). Ezután már tudományos szempontból értékes mérések végrehajtását tervezzük a 4. munkaszakaszban. A rendszer további fejlesztését, egyes kulcsfontosságú részegységek jobb stabilizálását, újabb funkcionális egységek hozzáadását a mérésekkel párhuzamosan, folyamatosan tudjuk végezni. Például folyamatosan dolgozunk a saját építésű lézerek alacsonyzajú áramforrásról való meghajtásán, és a vonalszélesség csökkentésén 1 MHz alá, az áramra történő gyors visszacsatolással.

Technikai specifikáció

I. Optikai rendszer

I.A. Lézerforrások

Az optikai rendszert Rb atomok D2 vonalának (5S_1/2 --> 5P_3/2 átmenet, 780.24 nm) hiperfinom multiplett spektrumához terveztük, és 5 független fényforrást tartalmaz:
(1) Referencialézer, amelyet FM modulált spektroszkópiával a Rb78 D2 vonalára stabilizálunk (780.2459 nm, vonalszélesség <1MHz, Toptica gyártmány) - az összes többi lézer frekvenciájának rögzítéséhez;
(2) Repumper lézer, amelyet 6.8 GHz-cel a referencialézer felett stabilizálunk (lebegési jelre történő visszacsatolással, `beat lock', saját építésű DFB lézer, Eagleyards diódából) - az F=1 alapállapotba bomló atomok visszapumpálásához az F=2 állapotba ;
(3) MOT (mágneses-optikai csapda) lézer, erősített diódalézer ('tapered amplifier', Toptica gyártmány, kicsatolt teljesítmény 1 W körüli), az atomok mágneses-optikai hűtéséhez és csapdázásához;
(4) Referencia-transzfer lézer (Toptica gyártmány), amelyet a referencialézerhez rögzített transzfer rezonátor 805 nm körüli rezonanciájához rögzítünk (mindkét rögzítés Pound-Drever-Hall (PDH) módszerrel történik, 12MHz illetve 15 MHz-vel modulált fénnyel), majd ehhez a frekvenciához rögzítjük aktív visszacsatolással a vákuumkamrában lévő 'Science' rezonátor frekvenciáját;
(5) Science lézer (saját építésű external cavity diode laser (ECDL) Eagleyards diódával, Newport gyártmányú alacsonyzajú áramforrással) - a vákuumkamrában található 'science' rezonátort tudjuk ezzel gerjeszteni koherens fénnyel .

A fenti 5 fényforrás nyalábjain kívül még 3 nyalábot a referencialézer nyalábjának továbbosztásából hozunk létre, akuszto-optikai modulátorokkal (AOM) módosítjuk a frekvenciájukat:
(1) Ref + 133 MHz frekvencián az F=2 <--> F=3 átmenet rezonáns gerjesztése, amelyet a hidegatom-felhő abszorpciós leképezéséhez használunk.
(2) Ref - 133 MHz frekvencián az atomok optikai pumpálásához végezzük az F=2 alapállapot mF=2 mágneses alnívójába.
(3) Ref + 120 MHz frekvencián - ezt a kísérlet továbbfejlesztésénél tervezzük használni 'push beamként' az atomok átlövéséhez a 2D MOT-ból a fő vákuumkamra 3D MOT-jába, ha azt már beüzemeltük.

Háromféle módszerrel stabilizáljuk a lézerek frekvenciáját:
(a) A referencia-lézert FM-modulált Doppler-mentes szaturációs spektroszkópiával üvegcellában lévő Rb atomok természetes vonalszélességéhez. A koherens lézerfényre elektro-optikai modulátorral (EOM) ültetünk oldalsávokat.
(b) Pound-Drever-Hall (PDH) spektroszkópiával egy optikai rezonátor 1MHz-es rezonanciájához. A jelfeldolgozáshoz saját építésű lock-in erősítőket használunk. A spektroszkópiához a rádióhullámmal modulált fényt EOM-mel, vagy a transzfer lézer áramának modulálásával hozzuk létre, a jelet gyors fotodiódával detektáljuk, amelyeket sávszűrővel és erősítővel láttunk el.
(c) Két független lézer egymódusú optikai szálban létrehozott interferenciájának gyors fotódiódán észlelt lebegési jelén keresztül a referencialézerhez (‘beat lock’).

I.B. Transzfer rezonátor

Nagy reflexiójú tükrökkel (LaserOptik, 1-R < 700 ppm, 740 nm - 820 nm sávban nagy jósági tényezőjű) hőmérsékletstabilizált (dT < 1 mK) optikai Fabry-Pérot rezonátort építettünk (sík-konkáv konfiguráció), amelynek hosszúságát piezokristályra (PhysikIntrumente gyártmány) adott nagyfeszültségű jellel (U=-20V ... 120V) szabályozzuk. A piezokristály gyors PID szabályozásával a rezonátort egy adott, stabil lézerfrekvenciához, jelen esetben a referencialézerhez rögzítjük PDH módszerrel.

I.C. Nyalábmenetek

A lézerből kilépő optikai nyalábok 2 mm nyalábszélességűek, ezeket az akuszto-optikai modulátorok előtt szűkítjük 0.1 mm körülire. A nyalábokat polarizációtartó, egymódusú optikai szálakba csatoljuk (Schafter és Kirchhoff, illetve Thorlabs csatolók), amellyel az optikai asztal másik végén található vákuumkamrához vezetjük a fényt, egyúttal térbeli szűrést végezve ( a kijövő nyaláb egymódusú, szimmetrikus alakú). A szálbecsatolásoknál 1-2 tükröt használunk. A nyalábokat elektronikusan távvezérelt zárakkal (Stanford Research System) blokkolhatjuk . A nyalábok osztásához polarizációs osztókockákat és előttük az intenzitások osztásához lambda/2-es lemezeket használunk (Eksma, ill. Casix).

II. Vákuumrendszer

II.A. Ultranagy vákuumot (UHV) biztosító kamra és tartozékai

Összeállítottuk és kifűtöttük a vákuumkamrát. A vákuumrendszerben beüzemeltük az elővákuum-, a turbómolekuláris-, és az iongetter szivattyút, amelyekkel elértük a 10^{-10} mbar nyomástartományt, majd megfelelő kifűtési protokollal a Ti abszorbciós pumpával a nyomást levittük ~ 5x10^{-11} mbar értékre. Installáltuk a vákuumszondákat, bekötöttük az elektromos vákuum csatlakozókat a mágneses tekercsekhez és az optikai rezonátort hangoló piezokristályokhoz.

II.B. Mágneses-optikai csapda (MOT)

3. ábra: A vákuumkamra belseje az összeszerelés előtt. Főbb egységek: (1) Optikai rezonátorok titán tartója, (2) negy reflektivitású tükrök, (3) MOT tekercsek, (4) Transzfer tekercsek vízszintes mozgatáshoz, (5) Ioffe-Pritchard csapda kompressziós tekercsei (a harmadik tekercs takarásban), (6) Rb diszpenzer tartó (diszpenzer takarásban a két fehér eltartó oszlop között van), (7) Ti adszorpciós pumpa acél lamellái.

A Rb atomok forrása egy diszpenzer (Alfavacuo gyártmány), amelynek kalibráltuk az áramát a megfelelő Rb-hozam megvalósításához. A mágneses teret három tekercspár hozza létre Helmholtz-konfigurációban, és egy Ioffe-Pritchard csapda (egy tekercspár és hosszanti irányban két egyenes vezető). Két nagy tekercspárt használunk a MOT létrehozásához, a harmadik tekercspár (`transzfer tekercsek') az atomok vízszintes mozgatását teszi lehetővé a Ioffe-Pritchard csapdához, amelyben a Bose-kondenzációt lehet majd elérni. Az elektromágneseket ultrastabil áramforrásról tápláljuk (HighFinesse), számítógépről vezérelhető áramerősséggel. A MOT két tekercspárjában az áramerősségek változtatásával a csapdázott atomfelhőt függőlegesen tudjuk mozgatni.

Az optikai rendszerben előállított lézernyalábokat optikai szálak vezetik a vákuumkamráig, itt a kicsatolt fényt (a MOT hat nyalábját, az abszorpciós leképezés és az optikai pumpálás nyalábjait, a referencia-transzfer lézer nyalábját, illetve a science lézerből származtatott két nyalábot, az egyik a rezonátort a tükrön keresztül pumpálja, a másik az optikai tengelyre merőleges) a viewportokon keresztül a vákuumkamrába irányítottuk és nagy pontossággal pozícionáltuk. Az atomok hűtéséért és csapdázásáért felelős MOT lézernyalábok szélessége 17 mm.

Atomfelhő transzportja — 4. ábra: A hideg atomfelhő transzportja mágneses csapdában, a képeket abszorpciós leképezéssel készítettük. A bal szélső ábrán, 0 ms-nál kezdődik a mozgatás. Ezt megelőzően az atomokat polarizáció-gradiens hűtéssel 100 mikrokelvin hőmérsékletre hűtöttük, majd optikai pumpálással polarizáltuk a mágneses momuntumukat (F=2, m_F=2) állapotba, és betöltöttük őket egy tisztán mágneses kvadrupól-csapdába. A 200 ms időtartam alatt eljuttatjuk őket az optikai rezonátorhoz, a 200 ms -nál készített képen éppen a rezonátor fölött van az atomfelhő. Az alsó és felső sorban a transzportot különböző kiindulási atomszámmal végezzük el.

Sikeresen létrehoztunk hideg atomfelhőt magneto-optikai csapdában (MOT). Ez mérföldkő abból a szempontból, hogy az atomi komponens manipulációjához szükséges összes eljárást el tudtuk végezni. Az atomok fluoreszcenciáját infravörös kamerákkal közvetlenül detektálhatjuk. Megvalósítottuk az atomok helyéről és számáról a fluoreszcenciánál pontosabb információt adó abszorbciós leképezést (10^8 atom, a csapda középpontjában 10^11/cm^3 sűrűség), optimalizáltuk a mérési eljárást (megvilágítási idő, háttér levonása, stb.). Az atomokat a MOT hőmérséklete alá (néhány mK) hűtöttük polarizáció-gradiens hűtéssel (~100 mikroKelvin). Optikai pumpálást hajtottunk végre az F=2, m_F=2 állapotba, amelyben az atomok tisztán mágneses mezővel, mágneses kvadrupól térben csapdázhatók, és az áramok változtatásával a mágneses csapdával együtt mozgattuk a felhőt.

II.C. `Science' rezonátor

Megépítettük és beszereltük a két vákuumkompatibilis optikai rezonátort. A rezonátorok tartója titánból készült, a gyárilag párhuzamos síkokra ragasztottuk UHV-kompatibilis ragasztóval a piezogyűrűket és arra a nagy reflexiójú tükröket. Egyelőre az ún. gyors rezonátort tudjuk használni, ennek módusai 4 MHz vonalszélességűek. Ezt a rezonátort a transzfer rezonátorhoz tudjuk stabilizálni a (4)-es, referencia-transzfer lézeren keresztül 805 nm-en. Ehhez a lézer fényét fiber EOM-ben moduláljuk (20 GHz sávszélességig lehetséges), hogy az egyik hangolható oldalsáv rezonáns legyen a science rezonátor egy módusával, miközben a hordozó frekvencia a transzfer rezonátor egyik módusához van rögzítve. A stabilizáláshoz a Ponder-Drever-Hall (PDH) módszert használjuk, a PID szabályozóval a piezogyűrűre csatolunk vissza.

Atomok a rezonátorban — 5. ábra: Atomok és fotonok kölcsönhatása az optikai rezonátorban. Gyengére állított science lézer transzmisszióját mérjük a rezonátoron keresztül egy lavina-fotodetektorral, miközben atomokat mozgatunk mágneses csapdával a rezonátormódus kicsiny térfogatán keresztül. A függőleges tengelyen az áteresztett intenzitás látható tetszőleges egységekben. A kezdeti időpillanatban (t=-100 ms) a transzmisszió az elhangolástól függ. A bal szélen látható a rezonáns eset (0 MHz), a többi ábrán (-8Mhz … 8 MHz) a science lézer és a rezonátor módus közötti elhangolás pozitív és negatív irányában Lorentz-görbének megfelelően csökkent transzmissziót mérjük. A jól látható csúcs azt jelzi, hogy az atomok elhangolják a rezonátor módusát, és ettől a rezonátor transzmissziója megváltozik. A felső sorban az atomok mindig növelik a lézer és a rezonátor közötti elhangolást, ezért a transzmisszió csökken. Az alsó sorban a 2MHz és 4 MHz esetekben az atomok “áttolják” a módust a rezonancián: ezért először növekedést látunk (közeledik a rezonanciához), majd csökkenést (amikor már a felhő nagyrésze a rezonátorban van, az atomok túltolják a módust a rezonancián), és végül a felhő ahogy kilép a rezonátorból lesz egy időtartomány, amikor ismét közelebb van a módus a rezonanciához, mint atomok nélkül. A 6 MHz és 8 MHz kezdeti elhangolás esetekben az atomok miatt közelebb kerül a módus a lézer frekvenciájához.

III. Számítógépes vezérlés

A valósidejű folyamatvezérlő (Jaeger, ADwin) számos analóg és digitális csatornájával egységes keretet ad a kísérlet összes olyan mozzanatának vezérléséhez, amelynek időzítése kritikus. Ezek a magneto-optikai-csapda (MOT) betöltését követően a polarizációgradiens-hűtés, ezt követően az atomoknak a tisztán mágnesesen csapdázható állapotba való átpumpálása (optikai pumpálás) során, és az abszorpciós leképezéskor jelentkeznek. A folyamatvezérlőre egy olyan szoftvert dolgoztunk ki, amely a teljes kísérleti cikluson belül az időzítés szempontjából kritikus részeken néhány mikroszekundumos felbontást biztosít. Ehhez szükséges, hogy a kísérletben szereplő összes lézerfrekvencia-modulátor (beat box), optikai zár, akuszto-optikai modulátor, vákuumbeli elektromágnes, valamint a science rezonátor kimeneti jelét rögzítő avalanche-fotodióda vezérlése teljesen az ADwin eszközön keresztül történjen.

Az ADwin folyamatvezérlőhöz egy python csatlakozási felületet is kifejlesztettünk, amellyel kényelmesen és a python programnyelv összes lehetőségét felhasználva határozható meg a kísérletnek az ADwin-ban leképezett mintegy 50 numerikus paramétere. Így a kísérlet könnyen távirányíthatóvá válik, meghatározott paraméter-tartományok automatikusan végigmérhetők (pl. éjszakai mérőkampány során), illetve a paraméterek között tetszőleges numerikus kapcsolat definiálható.