Электромагнитно-индуцированная прозрачность

Электромагнитно-индуцированная прозрачность (ЭИТ, Electromagnetically Induced Transparency, EIT) представляет собой квантовый оптический феномен, при котором среда, обычно поглощающая свет определённой частоты, становится прозрачной в присутствии когерентного управляющего поля. Этот эффект является проявлением квантовой интерференции между различными оптическими переходами атомной системы.

Важнейшей особенностью ЭИТ является то, что прозрачность достигается не за счёт изменения числа атомов или химического состава среды, а исключительно благодаря когерентному взаимодействию атомов с лазерными полями. ЭИТ обеспечивает создание узкого прозрачного окна внутри линии поглощения, что позволяет контролировать скорость света и создавать квантовую память для фотонов.

Трёхуровневая модель Λ-системы

Для понимания ЭИТ часто рассматривают трёхуровневую Λ-систему, состоящую из двух нижних метастабильных состояний |1⟩ и |2⟩ и возбуждённого состояния |3⟩. Система взаимодействует с двумя лазерными полями:

  • Сигнальное поле Es, резонансно связанное с переходом |1⟩↔︎|3⟩.
  • Управляющее поле Ec, связанное с переходом |2⟩↔︎|3⟩.

Энергетическая схема Λ-системы:

$$ \begin{array}{c} |3\rangle \\ \uparrow \quad \uparrow \\ |1\rangle \quad |2\rangle \end{array} $$

В отсутствие управляющего поля сигнал поглощается через переход |1⟩→|3⟩. Под действием управляющего поля формируется суперпозиционное состояние нижних уровней, называемое тёмным состоянием, в котором атом не взаимодействует с сигналом:

$$ |D\rangle = \frac{\Omega_c |1\rangle - \Omega_s |2\rangle}{\sqrt{|\Omega_c|^2 + |\Omega_s|^2}} $$

где Ωc и Ωs — Rabi-частоты управляющего и сигнального полей соответственно.

Квантовая интерференция и подавление поглощения

Фундаментальная природа ЭИТ связана с квантовой интерференцией амплитуд переходов:

  1. Сигнальное поле возбуждает атом с |1⟩→|3⟩.
  2. Управляющее поле создаёт альтернативный путь |2⟩→|3⟩.

В результате интерференция между этими путями приводит к полной компенсации амплитуд поглощения на резонансе сигнального поля. Атом фактически “не видит” сигнального фотона — среда становится прозрачной.

Ключевые параметры:

  • Ширина прозрачного окна $\Delta \omega \sim \frac{|\Omega_c|^2}{\gamma}$, где γ — коэффициент спонтанного излучения.
  • Глубина прозрачности зависит от когерентности нижних уровней и интенсивности управляющего поля.

Медленный и остановленный свет

ЭИТ не только устраняет поглощение, но и резко изменяет дисперсию среды:

$$ n(\omega) = 1 + \frac{N \mu^2}{2 \hbar \epsilon_0} \frac{\Delta + i \gamma}{\Delta^2 + \gamma^2 + |\Omega_c|^2} $$

где n(ω) — показатель преломления, N — плотность атомов, μ — дипольный момент перехода, Δ — детюнинг.

На резонансе дисперсия становится аномально высокой, что приводит к замедлению скорости света:

$$ v_g = \frac{c}{n + \omega \frac{dn}{d\omega}} \ll c $$

Эксперименты показали, что скорость света в среде ЭИТ может быть снижена до метров в секунду, а при динамическом изменении управляющего поля — фактически “остановлена”, позволяя захватывать и хранить фотонные состояния в атомной среде.

Применение ЭИТ

  1. Квантовая память для фотонов: хранение квантовой информации в виде когерентных суперпозиций атомов.
  2. Оптические задержки и буферы: использование замедленного света в коммуникационных системах.
  3. Нелинейная оптика при малых интенсивностях: ЭИТ усиливает нелинейные эффекты, позволяя создавать фотонные логические элементы.
  4. Точные измерения частот и магнитооптика: благодаря узкому прозрачному окну и высокой дисперсии.

Влияние декогерентности

ЭИТ чувствительна к:

  • Декогеренции нижних уровней (спиновые релаксации, столкновения с буферным газом).
  • Флуктуациям интенсивности и фазы управляющего поля.

Даже слабое рассеяние приводит к уменьшению глубины прозрачности и увеличению поглощения сигнала. В экспериментах часто используют разбавленные газы щелочных атомов и магнитное экранирование для увеличения когерентного времени T2.

Расширенные схемы

Помимо классической Λ-системы:

  • V-система: два возбуждённых состояния, одно нижнее — позволяет контролировать поглощение и генерацию лазерного света.
  • Ξ-система: каскадные уровни для процессов нелинейного оптического управления.
  • Многозвеньевые системы: используются в квантовой памяти и реализации фазовых квантовых вентилей.

ЭИТ также служит основой для двухфотонных переходов, формирования темных поляритонов и исследования когерентной оптической нелинейности на одном фотоне.

Оглавление