Оптическая накачка вращательных уровней основ-ного состояния CaO⁺ на переходе 2 ₂П–Х₂П широкополосным лазером

Полный текст

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.

 

Об авторах

Сергей Олегович Тучин

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Email: serezhenka.tuchin@mail.ru

студент, группа 4402-030302D, физический факультет

Россия, Самара

Андрей Александрович Першин

Самарский 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

Россия, Самара

Иван Олегович Антонов

Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: pfizeke@gmail.com

научный руководитель, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник

Россия, Самара

Список литературы

Дополнительные файлы