le# side test right side - university of maryland · 2017-08-01 · tasa de decaimiento (regla de...

74
TEST Le# side Right side bo.om Top

Upload: others

Post on 08-Jan-2020

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

TEST Le#side Rightside

bo.om

Top

Page 2: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

UFO/OPUMA School, UNAM, México Julio 2017

Luis A. Orozco www.jqi.umd.edu

Nanofibras ópticas.

Page 3: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Plan del curso: 1a lección; Las nanofibras ópticas: 2a lección: Atomos alrededor de las fibras ópticas y atraimiento de átomos alrededor de la nanofibra 3a lección (conferencia): Optica cuántica con nanofibras, del efecto Purcell a super y subradianza

Page 4: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Artículo de revisión: P. Solano, J. A. Grover, J. E. Hoffman, S. Ravets, F. K. Fatemi, L. A. Orozco, and S. L. Rolston “Optical Nanofibers: A New Platform for Quantum Optics”. Advances in Atomic Molecular and Optical Physics, Vol. 46, 355-403, Edited by E. Arimondo, C. C. Lin, and S. F. Yelin, Academic Press, Burlington (2017). ArXiv:1703.10533

Page 5: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

1.  Acoplamiento átomo-campo 2.  Fuerzas sobre un dipolo 3.  Trampas en nanofibras 4.  Dinámica de átomos

atrapados 5.  Modos mecánicos de la

fibra

Page 6: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

2. Acoplamiento átomo-campo

Page 7: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Acoplamiento normal

: átomo, dipolo

“Sombra” del átomo de dos niveles, igual a un dipolo clásico.

Sección eficaz σ = 3λ2/2π Energía de un dipolo d en un campo eléctrico E:

H int =!d •!E

!d = e Ψi

!r Ψ f

Operador MC dipolo:

Page 8: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi)

rad

Densidad de modos Interacción

Page 9: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Densidad de modos en 1D

Decaimiento en la nanofibra

Page 10: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Proporcional al campo eléctrico del modo guiado.

Densidad de modos en 1D

Decaimiento en la nanofibra

Page 11: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Modificación de la tasa de decaimiento

Page 12: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Acoplamiento evanescente

No a escala

: átomo o dipolo

Page 13: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

γ rad

γ1D No a escala

γTot = γ rad +γ1D

Acoplamiento evanescente

Page 14: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

γ rad

γ1D No a escala

γTot = γ rad +γ1D

γ0 γTot ≠ γ0

Acoplamiento evanescente

Page 15: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

No a escala

OD1(!r ) = σ 0

Aef (!r )

0 50 100 150 200 2500.00

0.05

0.10

0.15

r (nm)

σ 0/Aeff

Densidad óptica (OD) en la nanofibra

Page 16: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

No a escala

0 50 100 150 200 2500.00

0.05

0.10

0.15

r (nm)

σ 0/AeffA 50 nm de la

superficie un átomo puede bloquear el 10%de la luz

Densidad óptica (OD) en la nanofibra

OD1(!r ) = σ 0

Aef (!r )

Page 17: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Mejoría del acoplamiento

No a escala

γ rad

γ1D

α =γ1Dγ0

Page 18: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

No a escala

Aef (!r ) = P

I(!r )

α(!r ) = γ1D (!r )

γ0=1nef

σ 0

Aef (!r )=1nef

OD1(!r )

OD y mejoría del acoplamiento

Page 19: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Eficiencia del acoplamiento

β =γ1DγTot

No a escala

γ rad

γ1D

Page 20: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

C1 =β

(1−β)=γ1Dγ rad

No a escala

γ rad

γ1D

Cooperatividad

Page 21: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Factor de Purcell

FP =γ totγ0

=γ rad +γ1D

γ0=αβ

No a escala

γ rad

γ1D

Cambio en la tasa de emisión espontanea

γ0

Page 22: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Factor de Purcell

FP >1

No a escala

γ rad

γ1D

FP <1

Incremento de la emision espontanea

Inhibición de la emisión espontanea

Page 23: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Cooperatividad y OD

C1 =OD11neff

γ0γ rad

No a escala

γ rad

γ1D

Page 24: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

α =γ1Dγ0

Mejora del acoplamiento para átomos atrapados

Nanofibra actual

Page 25: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

2. Fuerzas sobre un dipolo

Page 26: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Trampa

Page 27: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Trampa

Page 28: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Trampa

Page 29: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Trampa

Page 30: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Trampa

Page 31: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Trampa

Page 32: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Trampa

Page 33: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Trampa

Page 34: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Trampa

Page 35: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Trampa

Fuerza

Page 36: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Burbuja de aire en agua

Fuerza

Page 37: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

¿De dónde viene la presión electromagnética? En una onda plana del campo magnético. Cuidado con las resonancias en la superficie si el diámetro~λ. La luz puede salir en otra direccion y la presión disminuye. Explicación cuántica por transferencia de momentun de la luz al átomo.

Page 38: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Modelo: átomos como osciladores

•  Esfera de vidrio en aire responde igual a un oscilador excitado abajo de resonancia: Corrimiento al rojo (δ=ω-ω 0 < 0) átomo es atraido hacia la mayor intensidad (I).

•  La burbuja de aire en el agua responde igual a un oscilador excitado arriba de resonancia. Corrimiento al azul (δ=ω-ω 0 > 0) átomo es repelido de la mayor I.

•  Potencial (U) U ∝ I/δ•  Fuerza (F) F ∝ ∇ (I/δ)

Page 39: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Nanofibra actual

α =γ1Dγ0

Mejora del acoplamiento

Mejor utilizar átomos no atrapados

Page 40: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

3. Atomos atrapados alrededor de la fibra

Page 41: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Potencial de atrapamiento

Atomos repelidos Atomos atraidos

Page 42: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Esquema de atrapamiento

Page 43: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

~23 ms ~120 átomos

Esquema de atrapamiento

Page 44: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

4. Dinámica de átomos atrapados alredor de la

nanofibra.

Page 45: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Atomos como medio birrefringente

U (mK)

Page 46: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

U (mK)

Atomos como medio birrefringente

Page 47: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

U (mK)

o

e

Atomos como medio birrefringente

Page 48: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

U (mK)

o

e

Probe

Atomos como medio birrefringente

Page 49: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Sonda

Haces de atrapamiento

Diferencia de frecuencia ~4 MHz

Polarimetría

Detector balanceado

Nanofiber Trap

Detección polarimetría - heterodina

Page 50: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Medición con batido de dos haces

|LO cos(φ) + S|2 = |LO|2 + 2 LO S cos(φ) + |S|2

La detección utiliza la interferencia entre dos campos: un oscilador local LO y una señal S. El resultado es una aplificación de la señal proporcional al tamaño del LO.

La fase en cos(φ) puede ser espacial (homodina: misma frecuencia) o temporal (heterodina: diferentes frecuencias)

Page 51: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Detector Balanceado: Dos detectores iguales tras un espejo semitransparente. La fase cambia dependiendo de cual es la superficie reflejante. (Stokes demostró eso utilizando reversibilidad de T en electromagnetismo). Se cancelan las variaciones comunes. Tomar la diferencia pues el término de la interferencia cambia de signo.

Page 52: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Dependencia temporal de la birrefringencia

Page 53: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Conforme los átomosescapan la trampa la

birrefringencia disminuye.

Dependencia temporal de la birrefringencia

Page 54: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Dependencia temporal de la birrefringencia

Page 55: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Dependencia temporal de la birrefringencia

Page 56: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

U (mK)

Atomos moviéndose en la trampa

Page 57: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

U (mK) Sonda

Atomos atrapados como medio birrefringente

Page 58: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

U (mK) Sonda

Atomos atrapados como medio birrefringente

Page 59: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

U (mK)

El experimento y la simulación dan resultados similares (

Atomos atrapados como medio birrefringente

Page 60: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

60

0 50 100 150

0

20

40

60

80

100

t (μs)

Pol

.Rot

. (μ

V)

Atomos atrapados como medio birrefringente

Page 61: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

61

Page 62: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

62

5. Modos mecánicos de la nanofibra

Page 63: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Modos mecánicos

Page 64: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Oscilaciones mecánicas de la nanofibra

•  Modos torsionales •  Modos de violín (vibracionales)

Page 65: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Detección mediante polarimetría - heterodina

Sonda

Diferencia de frecuencia ~1 MHz

Polarimetría

Detector balanceado

Nanofibra

Page 66: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Excitación

Time (s)

Am

plitu

d (V

)

0.00 0.10 0.20

0.0

-1.0

2.0

1.0

00

-40

80

40 Am

plitud (mV

)

Page 67: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Comparación de los métodos de excitación

Termal

Resonante

Esp

ectro

de

pote

ncia

(dB

)

Frecuencia (kHz)

Page 68: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

FFT

Page 69: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Modos de violín

Page 70: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Modo torsional

Q = 9000 FWHM = 10 Hz

Page 71: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Modos en nanofibras calentadas

Page 72: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

72

Problema: La frecuencia del primer modo torsional está muy cerca de la frecuencia de la trampa de los átomos y puede calentarlos.

Page 73: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

1.  Interacción átomo-campo alrededor de una nanofibra.

2.  Trampas en nanofibras 3.  Dinámica de átomos atrapados

mediante polarimetría 4.  Modos mecánicos de la fibra

Sumario

Page 74: Le# side TEST Right side - University Of Maryland · 2017-08-01 · Tasa de decaimiento (Regla de oro de Fermi) rad Densidad de modos Interacción . Densidad de modos en 1D Decaimiento

Thesis Defense - 08/19/2014 Jonathan Hoffman, Joint Quantum Institute 74

Gracias