Detail Project and Funding

Sorgenti di atomi controllate la luce per spettroscopia coerente ed altre applicazioni

Accordo di cooperazione scientifica CNR/BAS

Funded by: Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR)  
Calls: Accordo di cooperazione scientifica CNR/BAS
Start date: 2013-03-11  End date: 2016-03-11
Total Budget: EUR 12.000,00  INO share of the total budget: EUR 12.000,00
Scientific manager:    and for INO is: Gozzini Silvia

Organization/Institution/Company main assignee: CNR – Istituto Nazionale di Ottica (INO)

other Organization/Institution/Company involved:
Institute of Electronic, Sofia Bulgaria Academy of Sciences

other INO’s people involved:

Lucchesini Alessandro
Marinelli Carmela
Marmugi Luca


Abstract: In these years there is a growing interest for narrow optical resonances based on coherent effects due to their strongly expanding applications, as for example storing of the light, quantum computing, all-optical magnetometers, miniaturized atomic clock development, quantum memories, spin-squeezing and quantum non-demolition measurements, precision measurements of fundamental symmetries. Coherent resonances are investigated in evacuated, buffer gas and coated cells filled mainly with alkali atoms. Among these three types of cells the coated ones are very promising because of: the even narrower coherent resonances (Ramsey fringes of 1/60 Hz width are observed from alkene coated cells), the possibility of miniaturization and the application of Light Induced Atomic Desorption (LIAD). More specifically, LIAD makes possible to work at lower temperatures, and to characterize the atom – surface interaction.
Long-lived atomic coherence is the most important factor in the occurrence of narrow spectral widths. Electromagnetically induced transparency (EIT) and electromagnetically induced absorption (EIA) are examples of atomic coherent phenomena with expanding fields of application. In both these phenomena the decay of atomic coherence is related not only to the natural decay time between states, but also to the collisions between atoms and between atoms and wall. Atomic vapor cells with buffer gases have been used in many studies to preserve the atomic coherence from the collisions at the walls of the cell, and to increase the interaction time of atoms with the laser through the much slower diffusive atomic motion. Anyway one major disadvantage of buffer gas filling is the reduced efficiency of single mode laser excitation of the optical transition due to the collision broadening of the line.
An alternative method for preserving the atomic coherence between ground states is the use of an anti-relaxation coated atomic vapor cell. Such a cell can maintain the atomic coherence between the ground states in spite of the wall collisions, as demonstrated since the sixties in optical pumping experiment, and confirmed by many other successful experiments both in non – coherent and coherent regimes. In fact, also in EIT, due to atomic coherence between ground states, the spectral-width narrowing in the coated alkali vapor cell has been successfully observed, and is explained by the wall-induced Ramsey effect.
It is well known that the Ramsey method detects a phase shift of the atomic coherence between ground states by a multiple interaction of atoms with the laser, which depends on both the resonance frequency between the ground states and the time of flight. Although the atom-laser interaction time in an anti-relaxation coated cell is shorter than that in a vapor cell with a buffer gas, the Ramsey effect is the cause of the spectral-width narrowing because of the repeated interaction of the laser with the atoms with long-lived atomic coherence between the ground states in spite of the wall collisions.
The goal of the proposed project is to investigate the cited coherent effects in different alkali vapor cells (Potassium, Rubidium, Cesium) with special emphasis to proper Ramsey fringes, to Ramsey fringes-like effects and related phenomena. Moreover, we plan to analyse the influence of LIAD on the EIT/EIA spectral width. Registration of optical resonances in different experimental configurations will be performed and the obtained results will be theoretically analysed; in particular Hanle scheme, pump – probe approach, frequency modulated excitation will be tested. Special attention will be paid to optimisation of coherent resonance parameters such as width, amplitude, signal to noise ratio in order to consider possible different applications.
Among these, the main goal will be optical magnetometry, including miniaturization of the cell used as a sensor and strong enhancement of signal to noise ratio by EIT/EIA Ramsey narrowing. In this context the application of LIAD allows for both an higher alkali density without heating the sample and stabilization of the concentration via the feedback method on the desorbing light source (Burchianti et al. , 2010; Bogi et al., 2009).
Moreover, we will further develop a method (Bevilacqua et al., 2012) demonstrating that an appropriately designed nonharmonic field makes it possible to extract a linear response to a weak dc transverse field, despite the scalar nature of the magnetometer, which normally causes a much weaker, second-order response.Un crescente interesse è stato dedicato negli ultimi anni allo studio di risonanze ottiche basate su effetti coerenti in atomi alcalini soprattutto in vista dei loro numerosi impieghi sia in Fisica fondamentale sia nelle sue applicazioni.
La produzione di coerenze atomiche di lunga vita media è un elemento imprescindibile per la realizzazione di risonanze coerenti con larghezze spettrali trascurabili rispetto alla larghezza naturale di una transizione ottica. Il decadimento delle coerenze a causa degli urti tra gli atomi nella fase vapore e le pareti delle celle è quindi uno tra i principali fattori limitanti per la risoluzione e la sensibilità degli esperimenti e per la strumentazione da essi derivata. Inoltre, la recente tendenza a costruire dispositivi miniaturizzati basati su celle di dimensioni micrometriche ha introdotto ulteriori difficoltà tecniche. Un metodo molto utilizzato per limitare l’effetto di depolarizzazione degli atomi è quello di aggiungere una certa quantità di gas tampone, solitamente gas nobile, in modo da rallentare la diffusione degli atomi riducendo così la frequenza degli urti con le pareti e al contempo aumentando il tempo di interazione con la radiazione laser. D’altra parte, uno svantaggio immediato di questa tecnica è costituito dalla ridotta efficienza dell’eccitazione laser singolo modo della transizione ottica dovuto all’allargamento collisionale. Altri fattori limitanti pratici sono dovuti alla necessità di ottenere miscele con proporzioni definite tra alcalino e gas tampone: se il vapore alcalino è ottenuto a partire da una riserva solida, tali proporzioni non sono costanti con il variare della temperatura (tipicamente può esserci un rapporto gas tampone/vapore attivo che varia da 105 a 107), inoltre, la necessità di introdurre nella cella una sufficiente quantità di gas inerte ne limita la miniaturizzazione.
Come dimostrato in nostri recenti lavori, l’impiego di rivestimenti anti-rilassamento è risultato molto efficace nel preservare la coerenza tra gli stati fondamentali degli atomi, senza le potenziali limitazioni del gas tampone: il rivestimento organico è, come noto, in grado di mantenere la coerenza anche in seguito all’urto atomo/parete e questo ha permesso di osservare risonanze coerenti ultrastrette, fino ad 1/60 Hz. Allo stesso tempo, i rivestimenti organici permettono una facile miniaturizzazione dell’intero dispositivo ed anche l’impiego di tecniche fotodesorbimento (Light-Induced Atomic Desorption, LIAD) per il controllo delle densità atomiche a temperatura ambiente.
Inoltre, è stato osservato come i rivestimenti organici producano un ulteriore restringimento delle risonanze EIT (Electromagnetically Induced Transparency) legate al Coherent Population Trapping (CPT) tramite il cosiddetto wall-induced Ramsey effect. Sebbene il tempo di interazione atomo/radiazione coerente in una cella munita di rivestimento anti-rilassamento sia più breve di quello ottenuto in presenza di opportune pressioni di gas tampone, il coating permette agli atomi di uscire e rientrare nel volume mantenendo la coerenza e realizzando così un’interazione ripetuta tra fotoni e coerenze tra i livelli fondamentali che dipende sia dalla frequenza di risonanza dei livelli fondamentali che dal tempo di volo.
Si crea così un significativo restringimento della larghezza spettrale delle risonanze coerenti per effetto Ramsey, con immediati effetti in termini di risoluzione e sensibilità dell’apparato sperimentale.
Lo sfruttamento di questo processo, inoltre, apre nuove possibilità per l’analisi dell’interazione atomo/superficie in celle rivestite e, in particolare, può portare all’implementazione di una tecnica non distruttiva per il monitoraggio e la diagnostica del polimero che costituisce il rivestimento interno della cella. Attualmente, infatti, tutti i metodi di indagine diretta comportano il danneggiamento o la completa distruzione del polimero, della cella o di entrambi, con ovvie difficoltà e limitazioni.
In questo contesto, inoltre, la possibilità di applicare l’effetto LIAD potrebbe consentire ulteriori vantaggi: da un lato, infatti, la densità atomica può essere controllata otticamente riducendo la temperatura di lavoro (Bogi et al., Opt. Lett. 34, 2643-2645, 2009), con conseguente diminuzione del rischio di usura e danneggiamento del coating stesso e di tutto l’apparato sperimentale, e dall’altro offre un approccio alternativo per il contenimento del costo energetico di un dispositivo miniaturizzato destinato all’uso sul campo. Allo stesso tempo, inoltre, il fotodesorbimento può contribuire all’ulteriore riduzione dei tassi di rilassamento delle coerenze (Marmugi et al., J. Opt. Soc. Am. B 29, 2729-2733, 2012) e dunque anche ad una maggiore efficienza dell’effetto Ramsey prodotto a seguito delle collisioni atomo/parete.
Durante la fase finale del progetto, saranno valutate le possibili applicazioni pratiche dei risultati ottenuti che saranno sfruttati per l’ottimizzazione di magnetometri ottici in vista di usi in metrologia, scienze dei materiali, geologia, biomedicina. Questa fase potrà trarre giovamento anche dagli studi recentemente da noi condotti sugli effetti di campi magnetici alternati sulla dinamica degli spin atomici (Bevilacqua et al., Phys. Rev. A 85, 042510, 2012); queste tecniche permetteranno in particolare di modificare alcuni fenomeni di rilassamento che sono alla base dei limiti alla sensibilità dei magnetometri ottici e, allo stesso tempo, di approfondire ed estendere ad un regime in cui è presente l’effetto Ramsey gli studi più prettamente scientifici attualmente in corso.

INO’s Experiments/Theoretical Study correlated:
Coherent effects in alkali atomic vapors

The Scientific Results:
1) Electromagnetically Induced Trasparency on the first and second Resonance lines of Potassium.
2) Light-induced reversible self-assembly of potassium nanoparticles in porous glass
3) Laser-driven self-assembly of shape-controlled potassium nanoparticles in porous glass
4) Spin randomization of light-induced desorbed Rb atoms
5) Influence of anti-relaxation coating of optical cells on the potassium D-1 line saturated absorption

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