XI. Zpomalen é a zasta vené světlo

1. F4110 Kvantová fyzika atomárních soustavletní semestr 2007 - 2008 XI. Zpomalené a zastavené světlo KOTLÁŘSKÁ 7. KVĚTNA 2008

2. Úvodem

3. 1999 historicky první,alenaprosto typickývýsledek experimentu

4. 1999 sodíková D-čára

5. 1999 obálka pulsu na vstupu sodíková D-čára

6. 1999 obálka pulsu na vstupu obálka pulsu na výstupu 7.05 s sodíková D-čára

7. 1999 obálka pulsu na vstupu obálka pulsu na výstupu sodíková D-čára

8. 1999 BEC ??? obálka pulsu na vstupu obálka pulsu na výstupu sodíková D-čára

9. Vývoj 1999 – 2004 atomová pára T 0 zpomalení

10. Vývoj 1999 – 2004 atomová pára T 0 zpomalení atomová pára T R.T. zpomalení

11. Vývoj 1999 – 2004 atomová pára T 0 zpomalení atomová pára T R.T. zpomalení zastavení zastavení

12. Vývoj 1999 – 2004 atomová pára T 0 zpomalení atomová pára T R.T. zpomalení zastavení zastavení krystal s def. T 5 K zpomalení & zastavení krystal s def. T R.T. zpomalení

13. Vývoj 1999 – 2004 atomová pára T 0 zpomalení atomová pára T R.T. zpomalení zastavení zastavení krystal s def. T 5 K zpomalení & zastavení krystal s def. T R.T. zpomalení nové principy (makro-skopické jevy) pomalé světlo a BEC A P L I K A C E ???

14. Vývoj 1999 – 2004 atomová pára T 0 zpomalení "PLYN" TÉMĚŘ NEZÁVISLÝCH ATOMŮ V KOHERENTNÍ INTERAKCI SE SVĚTLEM atomová pára T R.T. zpomalení zastavení zastavení dnes nediskutujeme krystal s def. T 5 K zpomalení & zastavení krystal s def. T R.T. zpomalení nové principy (makro-skopické jevy) pomalé světlo a BEC A P L I K A C E ???

15. Zpomalené a zastavené světlo v řídkých atomárních soustavách • ... dnešní téma • Makroskopický popis • zpomalení i úplné zastavení světla ... malá grupová rychlost • 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 DVA PILÍŘE

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

17. 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

18. Šíření vlnových pulsů v dispergujícím prostředí • rovinná monochromatická vlna • fázová rychlost vlny o frekvenci  • index lomu • (Moivre ). f á z e

19. Šíření vlnových pulsů v dispergujícím prostředí • rovinná monochromatická vlna • fázová rychlost vlny o frekvenci  • index lomu • (Moivre ). • bezdispersní prostředí f á z e

20. Šíření vlnových pulsů v dispergujícím prostředí II. • puls o nosné frekvenci vlnové klubko • lineární superposice rovinných vln • fáze do lineární aproximace podle 

21. Šíření vlnových pulsů v dispergujícím prostředí II. • puls o nosné frekvenci vlnové klubko • lineární superposice rovinných vln • fáze do lineární aproximace podle  • grupový index lomu

22. Šíření vlnových pulsů v dispergujícím prostředí II. • puls o nosné frekvenci vlnové klubko • nosná vlna             obálka pulsu • fázová rychlost grupová rychlost • index lomu grupový index lomu •      1  n  4                      ??????

23. Šíření vlnových pulsů v dispergujícím prostředí II. • puls o nosné frekvenci vlnové klubko • nosná vlna                obálka pulsu • fázová rychlost grupová rychlost • index lomu grupový index lomu •      1  n  4                      ?????? • rozhodující je disperse indexu lomu

24. Šíření vlnových pulsů v dispergujícím prostředí III. v bezdispersním prostředí se fáze a obálka pulsu pohybují společně, vf= vg v dispersivním prostředí fáze předbíhá obálku pulsu nízké frekvence -- vysoké, vf> vg čas t  čas t  souřadnice x  souřadnice x 

25. Elektrodynamika hmotných (spojitých) prostředí • Výchozí otázka: fysikální původ indexu lomu • ½ odpovědi – Maxwellovy rovnice (neomezená homogenní isotropní látka) • odpovědi – materiálový vztah uzavírá soustavu rovnic pro pole . lokální, lineární, kausální • funkce odezvy (paměťová funkce)↑ -- mikroskopický výpočet nutný

26. Elektrodynamika hmotných (spojitých) prostředí • Výchozí otázka: fysikální původ indexu lomu • ½ odpovědi – Maxwellovy rovnice (neomezená homogenní isotropní látka) • odpovědi – materiálový vztah uzavírá soustavu rovnic pro pole . lokální, lineární, kausální • funkce odezvy (paměťová funkce)↑ -- mikroskopický výpočet nutný dynamické rovnice okrajové podmínky

27. Elektrodynamika hmotných (spojitých) prostředí • Výchozí otázka: fysikální původ indexu lomu • ½ odpovědi – Maxwellovy rovnice (neomezená homogenní isotropní látka) • odpovědi – materiálový vztah uzavírá soustavu rovnic pro pole . lokální, lineární, kausální • funkce odezvy (paměťová funkce)↑ -- mikroskopický výpočet nutný dynamické rovnice posunutí vakuapolní komponenta okrajové podmínky induk. polarisacehmotná komponenta

28. Elektrodynamika hmotných (spojitých) prostředí • Výchozí otázka: fysikální původ indexu lomu • ½ odpovědi – Maxwellovy rovnice (neomezená homogenní isotropní látka) • odpovědi – materiálový vztah uzavírá soustavu rovnic pro pole . lokální, lineární, kausální • funkce odezvy (paměťová funkce)↑ -- mikroskopický výpočet nutný dynamické rovnice posunutí vakuapolní komponenta okrajové podmínky induk. polarisacehmotná komponenta

29. Elektrodynamika hmotných (spojitých) prostředí • Výchozí otázka: fysikální původ indexu lomu • ½ odpovědi – Maxwellovy rovnice (neomezená homogenní isotropní látka) • odpovědi – materiálový vztah uzavírá soustavu rovnic pro pole . lokální, lineární, kausální • funkce odezvy (paměťová funkce)↑ -- mikroskopický výpočet nutný dynamické rovnice posunutí vakuapolní komponenta okrajové podmínky induk. polarisacehmotná komponenta t

30. Elektrodynamika hmotných (spojitých) prostředí • Výchozí otázka: fysikální původ indexu lomu • ½ odpovědi – Maxwellovy rovnice (neomezená homogenní isotropní látka) • odpovědi – materiálový vztah uzavírá soustavu rovnic pro pole . lokální, lineární, kausální • funkce odezvy (paměťová funkce)↑ dynamické rovnice posunutí vakuapolní komponenta okrajové podmínky induk. polarisacehmotná komponenta

31. Elektrodynamika hmotných (spojitých) prostředí • Výchozí otázka: fysikální původ indexu lomu • ½ odpovědi – Maxwellovy rovnice (neomezená homogenní isotropní látka) • odpovědi – materiálový vztah uzavírá soustavu rovnic pro pole . lokální, lineární, kausální • funkce odezvy (paměťová funkce)↑ -- mikroskopický výpočet dynamické rovnice posunutí vakuapolní komponenta okrajové podmínky induk. polarisacehmotná komponenta

32. Elektrodynamika hmotných (spojitých) prostředí • Výchozí otázka: fysikální původ indexu lomu • ½ odpovědi – Maxwellovy rovnice (neomezená homogenní isotropní látka) • odpovědi – materiálový vztah uzavírá soustavu rovnic pro pole . lokální, lineární, kausální • funkce odezvy (paměťová funkce)↑ -- mikroskopický výpočet dynamické rovnice posunutí vakuapolní komponenta okrajové podmínky induk. polarisacehmotná komponenta FYSIKA

33. Materiálový vztah a komplexní index lomu N • materiálový vztah • dosadíme zkusmo rovinnou vlnu, • Vektor polarisacePje pak rovněž tvaru rovinné vlny, • komplexní susceptibilita Fourierova transformace funkce odezvy • Maxw. r.  podmínka řešitelnosti komplexní index lomu

34. Materiálový vztah a komplexní index lomu N • materiálový vztah • dosadíme zkusmo rovinnou vlnu, • Vektor polarisacePje pak rovněž tvaru rovinné vlny, • komplexní susceptibilita Fourierova transformace funkce odezvy • Maxw. r.  podmínka řešitelnosti komplexní index lomu komplexní permitivita

35. Materiálový vztah a komplexní index lomu N • materiálový vztah • dosadíme zkusmo rovinnou vlnu, • Vektor polarisacePje pak rovněž tvaru rovinné vlny, • komplexní susceptibilita Fourierova transformace funkce odezvy • Maxw. r.  podmínka řešitelnosti komplexní index lomu komplexní permitivita Maxwellův vztah

36. Kramers-Kronigova relace • (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 dvě jedna reálná funkce

37. Kramers-Kronigova relace • (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“

38. 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“ • ale     jádro integrálu je •                                                     silně singulární pro = 

39. 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“ • ale     jádro integrálu je •                                                     silně singulární pro =  • lokální vztahy • k() maximum minimum vzestup pokles • n() pokles vzestup maximum minimum

40. K-K relace a lokální struktura n a k : výchozí model Dvě Lorentzovy linie • Výchozí model: • = 5, p= .9 , = 0,5

41. K-K relace a lokální struktura n a k : výchozí model Dvě Lorentzovy linie • Výchozí model: • = 5, p= .9 , = 0,5 + • modrá – homogenně rozšířená absorpční linie disperse – střídá se normální | anomální | normální

42. K-K relace a lokální struktura n a k : výchozí model Dvě Lorentzovy linie • Výchozí model: • = 5, p= .9 , = 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

43. K-K relace a lokální struktura n a k : výchozí model Dvě Lorentzovy linie • Výchozí model: • = 5, p= .9 , = 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

44. K-K relace a lokální struktura n a k : výchozí model Dvě Lorentzovy linie • Výchozí model: • = 5, p= .9 , = 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

45. K-K relace a lokální struktura n a k : výchozí model Dvě Lorentzovy linie • Výchozí model: • = 5, p= .9 , = 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

46. K-K relace a lokální struktura n a k : výchozí model Dvě Lorentzovy linie • Výchozí model: • = 5, p= .9 , = 0,5 + - HLUBŠÍ VÝZNAM koherentní procesy v aktivním (otevřeném) prostředí • 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

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

48. Optická odezva dvouhladinového atomu   P

49. Optická odezva dvouhladinového atomu   P základní stav (obsazený) excitovaný stav (prázdný, konečná doba života)

50. Optická odezva dvouhladinového atomu   P rozladění resonanční frekvence P ... "probe", měřicí sonda proměnná frekvence P- laseru základní stav (obsazený) excitovaný stav (prázdný, konečná doba života)