Оптическая накачка вращательных уровней основ-ного состояния CaO+ на переходе 2 2П–Х2П широкополосным лазером
- 作者: 1, 2,1, 2
-
隶属关系:
- Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
- Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН
- 期: 卷 1 (2023)
- 页面: 206-208
- 栏目: Физика
- URL: https://journals.eco-vector.com/osnk-sr2023/article/view/418806
- ID: 418806
如何引用文章
全文:
详细
Обоснование. CaO+ имеет интересную внутреннюю структуру для квантовоинформационных применений, которая позволяет «запутывать» внутренние состояния CaO+ с определенным вращательным квантовым числом и фононные моды ионов в квадрупольной ловушке через диполь-фононное взаимодействие [1].
Мы предлагаем охлаждать вращательные квантовые уровни CaO+ при помощи оптической накачки на электронном переходе 22П–Х2П. Состояния Х2П и 22П, переход между которыми планируется использовать для оптической накачки, имеют недиагональные коэффициенты Франка – Кондона. В то же время мы предполагаем, что наличие низколежащего состояния А2Σ+ может ускорить релаксацию возбужденных колебательных уровней Х2П при накачке на переходе 22П–Х2П.
Цель — оптически охладить вращательные уровни основного состояния CaO+ на переходе 22П–Х2П.
Методы. Для оптической накачки молекулы на электронном переходе мы используем широкополосный фемтосекундный лазер, чтобы одновременно перекрыть множество спектральных линий вращательной тонкой структуры. Чтобы контролировать, какие именно линии лазер перекрывает, мы используем метод спектрального формирования импульса. Лазер с длительностью импульса 50 фс, имеющий спектральную ширину около 100 см–1, проходит оптическую систему с дифракционная решеткой, которая разделяет его на отдельные частоты, после чего часть спектра обрезается с помощью маски.
На графиках (рис. 1) представлены кривые потенциальной энергии, построенные нами для состояний Х2П, 22П и А2Σ+ молекулы СaO+, рассчитанные на суперкомпьютере «Сергей Королев» с помощью метода MRCI.
Рис. 1. Кривые потенциальной энергии
Для оптической накачки мы используем спектральные переходы Х2П(v = 0) – 22П(v = 8) (рис. 2) и А2Σ+ (v = 0) – 22П (v = 8). Предполагается осуществлять накачку при помощи двух фемтосекундых титан-сапфировых лазеров, которые при помощи утроения частоты в нелинейном кристалле настраиваются на длину волны 300 и 306 нм. Лазер с длиной волны 300 нм подвергается спектральному формированию импульса для накачки перехода 22П–Х2П. Лазер с длиной волны 306 нм настроен на переход 22П–А2Σ+ (для данного перехода лазер без маски).
Рис. 2. Спектральная симуляция перехода Х2П(v = 0)–22П(v = 8)
dN / dt = MN. (1)
Уравнение (1) определяет скорость изменения населенности всех квантовых уровней CaO+. N — это вектор элементы которого соответствуют населенности каждого квантового состояния CaO+. М — это матрица коэффициентов скоростей, состоящая из трех слагаемых: М = А + В + L, где А — матрица коэффициентов Эйнштейна A, В — это матрица коэффициентов Эйнштейна B для переходов в микроволновой и инфракрасной областях, умноженных на спектральную плотность теплового излучения, L — это матрица коэффициентов Эйнштейна для переходов 22П–Х2П в ультрафиолетовой области B, умноженных на спектральную плотность излучения лазеров. Для определения временнозависимой населенности уравнение (1) численно интегрировалось в программе, написанной на языке Python, для начальной населенности N0, соответствующей равновесной, во временном интервале 10–5–102 секунд.
Результаты. Как видно из рис. 3, положение маски имеет драматический эффект на вращательную населенность состояния Х2П(v = 0).
Рис. 3. Населенность состояния π3/2(v = 0) для момента времени 100 секунд
Выводы. Такой эффект в результатах связан с тем, что при отсечке 33 256 см–1 несколько наиболее низколежащих вращательных уровней Х2П(v = 0) не перекрываются лазером, образуют «темные» состояния. В них перекачивается населенность из более высоколежащих вращательных уровней CaO+, таким образом, вращательные уровни молекулы оптически охлаждаются. Пик населенности Х2П(v = 0) 0,8 % достигается для J = 4,5. Общая населенность состояния Х2П(v = 0) составляет 25 %, населенность состояния А2Σ+(v = 0) составляет 57 %. Работы по решению этой задачи в данный момент ведутся.
全文:
Обоснование. CaO+ имеет интересную внутреннюю структуру для квантовоинформационных применений, которая позволяет «запутывать» внутренние состояния CaO+ с определенным вращательным квантовым числом и фононные моды ионов в квадрупольной ловушке через диполь-фононное взаимодействие [1].
Мы предлагаем охлаждать вращательные квантовые уровни CaO+ при помощи оптической накачки на электронном переходе 22П–Х2П. Состояния Х2П и 22П, переход между которыми планируется использовать для оптической накачки, имеют недиагональные коэффициенты Франка – Кондона. В то же время мы предполагаем, что наличие низколежащего состояния А2Σ+ может ускорить релаксацию возбужденных колебательных уровней Х2П при накачке на переходе 22П–Х2П.
Цель — оптически охладить вращательные уровни основного состояния CaO+ на переходе 22П–Х2П.
Методы. Для оптической накачки молекулы на электронном переходе мы используем широкополосный фемтосекундный лазер, чтобы одновременно перекрыть множество спектральных линий вращательной тонкой структуры. Чтобы контролировать, какие именно линии лазер перекрывает, мы используем метод спектрального формирования импульса. Лазер с длительностью импульса 50 фс, имеющий спектральную ширину около 100 см–1, проходит оптическую систему с дифракционная решеткой, которая разделяет его на отдельные частоты, после чего часть спектра обрезается с помощью маски.
На графиках (рис. 1) представлены кривые потенциальной энергии, построенные нами для состояний Х2П, 22П и А2Σ+ молекулы СaO+, рассчитанные на суперкомпьютере «Сергей Королев» с помощью метода MRCI.
Рис. 1. Кривые потенциальной энергии
Для оптической накачки мы используем спектральные переходы Х2П(v = 0) – 22П(v = 8) (рис. 2) и
А2Σ+ (v = 0) – 22П (v = 8). Предполагается осуществлять накачку при помощи двух фемтосекундых титан-сапфировых лазеров, которые при помощи утроения частоты в нелинейном кристалле настраиваются на длину волны 300 и 306 нм. Лазер с длиной волны 300 нм подвергается спектральному формированию импульса для накачки перехода 22П–Х2П. Лазер с длиной волны 306 нм настроен на переход 22П–А2Σ+ (для данного перехода лазер без маски).
Рис. 2. Спектральная симуляция перехода Х2П(v = 0)–22П(v = 8)
dN / dt = MN. (1)
Уравнение (1) определяет скорость изменения населенности всех квантовых уровней CaO+. N — это вектор элементы которого соответствуют населенности каждого квантового состояния CaO+. М — это матрица коэффициентов скоростей, состоящая из трех слагаемых: М = А + В + L, где А — матрица коэффициентов Эйнштейна A, В — это матрица коэффициентов Эйнштейна B для переходов в микроволновой и инфракрасной областях, умноженных на спектральную плотность теплового излучения, L — это матрица коэффициентов Эйнштейна для переходов 22П–Х2П в ультрафиолетовой области B, умноженных на спектральную плотность излучения лазеров. Для определения временнозависимой населенности уравнение (1) численно интегрировалось в программе, написанной на языке Python, для начальной населенности N0, соответствующей равновесной, во временном интервале 10–5–102 секунд.
Результаты. Как видно из рис. 3, положение маски имеет драматический эффект на вращательную населенность состояния Х2П(v = 0).
Рис. 3. Населенность состояния π3/2(v = 0) для момента времени 100 секунд
Выводы. Такой эффект в результатах связан с тем, что при отсечке 33 256 см–1 несколько наиболее низколежащих вращательных уровней Х2П(v = 0) не перекрываются лазером, образуют «темные» состояния. В них перекачивается населенность из более высоколежащих вращательных уровней CaO+, таким образом, вращательные уровни молекулы оптически охлаждаются. Пик населенности Х2П(v = 0) 0,8 % достигается для J = 4,5. Общая населенность состояния Х2П(v = 0) составляет 25 %, населенность состояния А2Σ+(v = 0) составляет 57 %. Работы по решению этой задачи в данный момент ведутся.
作者简介
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
Email: serezhenka.tuchin@mail.ru
студент, группа 4402-030302D, физический факультет
俄罗斯联邦, СамараСамарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН; Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
Email: andrepershin1993@yandex.ru
кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ЛФХК СФ ФИАН, ассистент кафедры физики Самарского университета
俄罗斯联邦, СамараСамарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН
编辑信件的主要联系方式.
Email: pfizeke@gmail.com
научный руководитель, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник
俄罗斯联邦, Самара参考
- Campbell W.C., Hudson E.R. Dipole-Phonon Quantum Logic with Trapped Polar Molecular Ions // Physical re-view letters. 2020. No. 125. С. 120501. doi: 10.1103/PhysRevLett.125.120501
补充文件
