Effetti coerenti in vapori alcalini
Coherent Population Trapping (CPT) ed Electromagnetically Induced Transparency (EIT) sono fenomeni coerenti osservati in vapori di atomi. Gli effetti sono prodotti in sistemi atomici a tre livelli, accoppiati da opportune radiazioni laser o in presenza di opportuni campi esterni: l’interferenza quantistica tra le ampiezze di transizione produce una riduzione dell’assorbimento della luce in condizioni di risonanza. La finestra di trasparenza ha una ridotta ampiezza spettrale, è associata ad un’alta dispersione dell’indice di rifrazione e le sue caratteristiche possono dipendere da condizioni esterne, quali campi magnetici. Per questi motivi, tali effetti sono di grande interesse per la ricerca di base e anche in vista delle loro numerose applicazioni, fra cui lo sviluppo di magnetometri atomici e orologi atomici, rallentamento e impacchettamento della luce, spettroscopia ad altissima risoluzione e quantum computing.
Elemento imprescindibile per risonanze coerenti con larghezza trascurabile rispetto alla larghezza naturale di una transizione ottica è la produzione di coerenze atomiche di lunga vita media. Tuttavia, i tempi di decadimento delle coerenze sono significativamente ridotti in seguito agli urti tra gli atomi in fase vapore e le pareti della camera in cui sono contenuti; il fenomeno è particolarmente rilevante nel caso di celle di dimensione micrometrica, necessarie per rispondere alle crescenti richieste di miniaturizzazione dei dispositivi basati su tecnologie atomiche. Convenzionalmente, un gas nobile (gas tampone) viene aggiunto per limitare l’impatto degli urti con le pareti; tuttavia, questa tecnica comporta un allargamento supplementare delle transizioni atomiche dovuto a processi collisionali e pone un limite alla miniaturizzazione delle celle, dal momento che sono necessarie alte pressioni di gas tampone (>10 Torr).
Per superare queste limitazioni, il nostro gruppo ha sviluppato una tecnica per il rivestimento delle pareti interne delle celle di misura con coating organici anti-rilassamento, tipicamente silani o paraffine. In questa maniera, la polarizzazione degli atomi e le loro coerenze sono mantenute anche in seguito all’urto con la parete, con un significativo allungamento delle vite medie delle coerenze: grazie a tali rivestimenti, è stato possibile osservare risonanze EIT ultra-strette, fino ad 1/60 Hz, sfruttando il cosiddetto wall-induced Ramsey effect [1]. I rivestimenti organici, inoltre, avendo uno spessore trascurabile rispetto alle dimensioni delle celle, non pongono limiti alla miniaturizzazione delle camere e presentano caratteristiche stabili e ripetibili, entro un ampio intervallo di temperature (fino a circa 250°C).
In aggiunta, l’impiego di coating organici permette l’applicazione di tecniche di controllo e stabilizzazione della densità atomica a temperatura ambiente basate sull’effetto LIAD, Light-Induced Atomic Desorption [2]: atomi adsorbiti nelle cavità superficiali del rivestimento sono rapidamente rilasciati in fase vapore in seguito all’esposizione a radiazione ottica non risonante, anche di debole intensità. Tale effetto è attualmente utilizzato anche per il caricamento di trappole magneto-ottiche e atom chips, per la produzione fotoindotta di nanoparticelle metalliche e per la rapida modulazione della densità di vapore [2].
Presso il laboratorio sono disponibili sorgenti laser a diodo ECDL sulle I e II risonanze di K e Rb. Un completo schermaggio da campi magnetici esterni viene realizzato sia attraverso una camera in μ-metal, sia attraverso tre coppie di bobine in configurazione Helmholtz mutuamente ortogonali [3].
[1] Gozzini, S., Marmugi, L., Lucchesini, A., Gateva, S., Cartaleva, S., Nasyrov, K. Narrow Structure in the Coherent Population Trapping Resonance in Sodium, Phys. Rev. A 84, 013812, 2011
[2] Bogi, A., Marinelli, C., Burchianti, A., Mariotti, E., Moi, L., Gozzini, S., Marmugi, L., Lucchesini, A. Full control of sodium vapor density in siloxane-coated cells using blue LED light-induced atomic desorption, Opt. Lett. 34, 17, 2643-2645, 2009
[3] Marmugi L., Gozzini S., Lucchesini A., Bogi A., Burchianti A., Marinelli C. All-optical vapor density control for Electromagnetically Induced Transparency, J. Opt. Soc. Am. B 29, 2729-2733, 2012
Effetto LIAD sul sodio: sinistra LED desorbente off; centro LED desorbente on; destra LED desorbente on e filtro ottico sul blu.
EIT /EIA sullo spettro di assorbimento D1 del K