СПОСОБ УДАРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ФАЗОВОЙ КОГЕРЕНТНОСТИ ОДНОВРЕМЕННО ПО КРАЙНЕЙ МЕРЕ В ДВУХ КВАНТОВЫХ СИСТЕМАХ Российский патент 1994 года по МПК H01S1/06 

Изобретение относится к области физики возбуждения фазовой когерентности, индуцирующей переходы в квантовых системах, и может быть использовано, в частности, при исследовании динамики оптически ориентируемых спин-систем атомов щелочных металлов, являющихся рабочими веществами квантовых магнитометров, атомных стандартов частоты и других спиновых устройств.

Известен резонансный способ осуществления фазовой когерентности в квантовой системе любой природы [1] . Он состоит в облучении, например, спин-системы переменным резонансным полем на частоте f_о или ν_o-o , которое индуцирует вынужденные квантовые переходы между энергетическими уровнями определенного типа: зеемановскими - на частотах до f_o ≈10⁷ Гц в квантовых магнитометрах и ЯМР; сверхтонкими - на частотах ν_o-o ≈10¹⁰ Гц в атомных стандартах частоты и ЭПР. При этом действие резонансного облучения, в частности магнитного поля (X)·cos2πf_o·t на зеемановскую спин-систему формирует динамическое состояние ее, выражающееся в изменении компоненты намагниченности (Z, t) вдоль постоянного магнитного поля напряженностью по оси Z с сигналом S(Z, t), и возникновением поперечной компоненты намагниченноcти (X, Y, t), осциллирующей на резонансной частоте 2 π˙ f_o и называемой компонентой когерентности с сигналом от нее S(X, Y, t).

Одна из особенностей резонансного способа заключается в том, что длительность поля облучения τ_{<%2>обл<%0>} . , которое может иметь и прерывистый характер, значительно больше периода Т_о частоты вынужденных колебаний данного квантового перехода, т. е. всегда выполняется условие τ_обл>> Т_о.

Недостатком известного резонансного способа является то, что для получения сигнала от спин-системы, а также в процессе ее исследования требуется обеспечение достаточно жестких резонансных условий - стабилизации постоянного поля с высокой степенью точности, обеспечения спектральной чистоты фазирующего резонансного поля (X)·cos2πf_o·t, стабилизации интенсивности света накачки и др. Кроме того, процедура экстраполяции к нулю амплитуды поля при измерении времен спиновой релаксации Т₁ и Т₂ снижает точность, особенно для атомов щелочных металлов с неразрешенной зеемановской структурой (цезий-133; рубидий-85; рубидий-87).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ ударного возбуждения фазовой когерентности для индуцирования переходов в квантовой системе, в частности спин-системе квантового магнитометра [2] . В способе отсутствует резонансное поле (X)·cos2πf_o·t, а фазовая когерентность зеемановских подуровней в спин-системе осуществляется полем другого типа путем облучения ее коротким одиночным δ -образным видеоимпульсом магнитного поля вида (X)·δ(τ_и) длительностью τ_и, много меньшей периода Т_о, т. е. τ_и<<T_o , где δ(τ_и) - Дельта-функция. В дальнейшем упомянутый видеоимпульс будем обозначать .

Использование способа ударного возбуждения в одной двухуровневой спин-системе позволяет повысить точность измерения времен спиновой релаксации Т₁ и Т₂, увеличить отношение сигнал/шум за счет возрастания сигнала, а реализация его в квантовом магнитометре позволяет получить режим свободных колебаний, причем с непрерывным сигналом S(X, Y, t). Это увеличивает стабильность магнитометра.

Недостаток ударного способа возбуждения фазовой когеpентности проявляется при исследовании рабочего вещества, имеющего две спин-системы I и II с гиромагнитными константами соответственно γ₁ и γ₂, разных по величине и знаку. Он состоит в том, что при подаче видеоимпульса фазовая когерентность возникает одновременно в обеих спин-системах, сигналы от которых трудно или невозможно разделить. Примером такого рабочего вещества является атомный газ ¹³³Cs (см. фиг. 1). В постоянном поле ≃ 0,5 Гc в одной спин-системе момент (X, Y, t) осциллирует на частоте f₀₁= · γ₁·H₀, а в другой момент (X, Y, t) осциллирует на частоте f₀₂= · γ₂·H₀, близкой к f₀₁. После действия видеоимпульса образуется суммарный сигнал намагниченности S_1,2(Z, t) по оси Z и суммарный сигнал когерентности S_1,2(X, Y, t) в плоcкоcти XY, который иcпытывает биения на разноcтной чаcтоте Ω= 2π | f₀₁ - f₀₂| . Это не позволяет определить как влияние спин-систем одна на другую, так и измерить у каждой из них времена релаксации Т₁ и Т₂.

Целью изобретения является выделение сигналов только от одной выбранной спин-системы путем усиления фазовой когерентности в ней и подавления сигналов от другой.

На фиг. 1 представлены частоты квантовых переходов; на фиг. 2 - составляющие компоненты намагниченности; на фиг. 3 - выделение одной частоты квантовых переходов ¹³³Cs.

Квантовые спин-системы I и II (см. фиг. 2) в постоянном магнитном поле по оси Z изображены конусами спин-векторов. Они характеризуются гиромагнитными константами γ₁ > 0 и γ₂ > 0; содержат компоненты намагниченности соответственно (Z, t) и (Z, t) по оси Z, а также осциллирующие компоненты намагниченности (X, Y, t) и (X, Y, t) в плоскости XY (после подачи видеоимпульса ).

δ -образный одиночный видеоимпульс магнитного поля длительностью τ_и подается по оси Х в момент времени t₁ и за время своего действия τ_и формирует вдоль оси Х компоненты (X) и (X), которые затем становятся осциллирующими компонентами (X, Y, t) и (X, Y, t).

δ -образный аналогичный одиночный видеоимпульс магнитного поля подается в плоскости XY в момент времени t₂, когда осциллирующая компонента (X, Y, t) одной (I) спин-системы повернулась на угол θ₁, а компонента (X, Y, t) другой (II) повернулась на угол θ₂= θ₁+π
Предлагаемый способ выполняется следующим образом.

До подачи видеоимпульса спин-системы I и II находятся в состоянии инверсии, поэтому вдоль постоянного поля по оси Z имеются статические компоненты намагниченности соответственно (Z) и (Z), фазовая когерентность отсутствует.

При подаче видеоимпульса по оси Х в момент времени t₁ он осуществляется за короткое время своего действия τ_и фазовую привязку спинов к оси Х и таким путем синхронизирует колебания спинов в обеих спин-системах I и II, одновременно формируя компоненты намагниченности (X) и (X). Полные моменты намагниченности = (Z, t)+(X) и = (Z, t)+(X), возникающие при этом в момент времени t₁, не показаны на фиг. 2). После действия видеоимпульса (X) cформированные им компоненты (X) и (X) осциллируют когерентно в плоскости XY, становясь компонентами (X, Y, t) и (X, Y, t) с разными скоростями для случая γ₁ ≠ γ₂ и к тому же со встречным направлением вращения, если гиромагнитные константы имеют разные знаки: +γ₁и-γ₂ . Поэтому через некоторый интервал Δ t_1,2 = t₂ - t₁ наступает момент времени t₂, когда осциллирующие компоненты (X, Y, t) и (X, Y, t) вновь выстраиваются по одной линии, но антипараллельно одна другой (см. фиг. 2). В этот момент времени t₂ и подают дополнительный (аналогичный ) видеоимпульс магнитного поля в плоскости XY, чтобы за время его действия τ_иусилить одну из компонент и подавить сигналы от другой. Для этого видеоимпульс направляют параллельно, т. е. в фазе осциллирующей компоненте (X, Y, t) первой спин-системы, в которой усиливается фазовая когерентность, при этом в второй спин-системе сигналы полностью подавляются.

Момент времени t₂, отсчитываемый от значения t₁, и угол подачи θ₁ видеоимпульса , отсчитываемый от оси Х, определяют по формулам 1 и 2, приведенным в формуле изобретения. Таким образом, после подачи видеоимпульса наблюдаются сигналы только от первой спин-системы: по оси Z сигнал намагниченности S₁(Z, t) вида
S₁(Z, t)= S₁(Z)·e , (4)
где τ₁ - время релаксации продольной компоненты (Z, t); и в плоскости XY сигнал свободных колебаний S₁(X, Y, t) вида
S₁(X, Y, t)S (Z) · sinf₀₁t , (5) где τ₂ - время релаксации поперечной осциллирующей компоненты (X, Y, t).

П р и м е р 1. Выделение сигналов в постоянном поле Н_о≈0,5 Гс от рабочих веществ квантовых магнитометров (и атомных стандартов частоты).

Ячейка поглощения содержит одно рабочее вещество - газ ¹³³Cs, которое имеет две спин-системы (см. фиг. 1). Одна (I), связанная со сверхтонким F = 4 состоянием, характеризуется + γ₁ и зеемановской частотой f_o1 = 175 кГц, другая (II) принадлежит F = 3 состоянию и характеризуется - γ₂ и значением f_o2 ≈ 175,5 кГц.

Требуется определить время t₂, углы θ₁ и θ₂, чтобы установить фазовую когерентность только в одной спин-системе и получить сигналы либо на частоте f_o1 (F = 4), либо на частоте f_o2 (F = 3) (см. фиг. 3).

Решение. Значение времени t₂ подачи видеоимпульса относительно момента времени t₁ определяем из формулы (I). Принимая t₁ = 0 и n = 1, получаем
Δt_1,2= t₂= · = · 101,4·10^-6c. Таким образом, первое противосостояние (n = 1) осциллирующих компонент (F= 4) и (F= 3) наступает через Δ t_1,2 = 1,4 мкс. Значение угла θ₁ и направление подачи видеоимпульса относительно (X) определяются из формулы (2)
θ₁= + ≃ = +90^°. Значение θ₁ = 90^о показывает, что для получения сигналов только от состояния F = 4 видеоимпульс нужно подать по оси +Y, т. е. = +(Y). Значение угла θ₂ и направление подачи видеоимпульса в этом случае определяется из формулы (3):
θ₂= - ≃ - = -90^°. Из полученного значения θ₂= -90^o следует, что для наблюдения сигналов только от состояния F = 3 видеоимпульс нужно подавать по оси -Y, т. е. = - (Y).

П р и м е р 2. Ячейка поглощения содержит два рабочих вещества - изотоп ⁸⁵Rb и изотоп ⁸⁷Rb. Одна спин-система (⁸⁵Rb) характеризуется + γ₁ и f_o1≈ 230 кГц, другая (⁸⁷Rb) имеет + γ₂ и f_o2 ≈ 350 кГц.

Требуется выделить сигналы только от одного рабочего вещества или от другого. Принимая t₁ = 0 и n = 1, из формулы (1) получаем Δ t_1,2= t₂ ≈ 4,5 мкс. Для изотопа ⁸⁵Rb из формулы (2) получаем θ₁= π+ . Это означает, что сигналы от ⁸⁵Rb будут наблюдаться при подаче под углом θ₁= 345^o по отношению к направлению . Для изотопа ⁸⁷Rb из формулы (3) получаем θ₂= π+ . Это означает, что сигналы от ⁸⁷Rb будут наблюдаться при подаче под углом θ₁= = 165^°.

Для корректного выполнения способа требуется соблюдение следующих условий:
амплитуды видеоимпульсов и должны быть таковы, чтобы поочередное действие их не приводило спин-систему в состояние насыщения;
величина Δ t_1,2 должна быть меньше времени τ₂ поперечной релаксации, т. е. Δt_1,2 < τ₂ .

Работоспособность предлагаемого способа была проверена на физической установке с двумя лучами, на которой выполняются исследования по оптической спиновой накачке. Эксперимент проводился на атомах ¹³³Cs в условиях лаборатории, в которой магнитное поле (Z) ≃ 0,45 Гc. При этом частоты f_o1 и f_o2 спин-систем не разделяются (см. фиг. 1). Один луч света (накачки) был направлен по оси Z и создавал компоненты намагниченности (X, Y, t) и (X, Y, t). Другой луч света (детектирующий) был направлен по оси Х. Видеоимпульс магнитного поля по оси Х создавался одной парой колец Гельмгольца, установленной по этой оси. Дополнительный аналогичный видеоимпульс по оси Y создавался другой парой колец Гельмгольца, установленной по оси Y. Использовался генератор импульсов типа Г5-60, имеющий два автономных канала с одиночными импульсами и калиброванный сдвиг импульсов между каналами. Первый канал подключался к кольцам по оси Х, а второй - к кольцам по оси Y, импульс которого мог дискретно сдвигаться относительно первого через 0,1 мкс. Длительность τ_и видеоимпульсов в обоих каналах составляла ≈0,3 мкс. При подаче видеоимпульса по оси Х на осциллографе типа С1-69 возникал суммарный сигнал когерентности S_1,2(X, t) от фотоприемника по оси Х. Сигнал имел биения амплитуды на частоте ≈ 500 Гц. Однако (см. фиг. 3) при подаче от второго канала со сдвигом Δ t_1,2 = t₂ ≈ 1,3 мкс (относительно первого) видеоимпульса по оси +Y оставался только сигнал S₁(X, t) на частоте f_o1. При изменении полярности видеоимпульса на - получался только сигнал когерентности S₂(X, t) на частоте f_o2 (см. фиг. 1).

Реализация предлагаемого способа ударного возбуждения фазовой когерентности для индуцирования переходов одновременно в нескольких квантовых системах, в частности в двух спин-системах, позволяет выделить сигналы только строго одной выбранной спин-системы, используя воздействие сфазированного дополнительного видеоимпульса в координатно-временной системе; повысить точность измерения параметров выделенных сигналов и констант квантовых переходов; повысить точность квантовых устройств благодаря использованию режима свободных колебаний. Кроме того, для более сложных спин-систем, когда общее количество их больше двух, методология предлагаемого способа позволяет выделить и исследовать сигналы как отдельной спин-системы, так и группы спин-систем. (56) 1. Сигмен А. Лазеры. - М. : Мир, 1966, с. 13-47.

2. Авторское свидетельство СССР N 352240, кл. G 01 R 33/26, 1972.

Использование: в области возбуждения фазовой когерентности в квантовых системах, в частности в двух спин-системах, например, при исследовании динамики оптически ориентируемых спин-систем атомов щелочных металлов, являющихся рабочими веществами квантовых магнитомеров, атомных стандартов частоты и других спиновых устройств. Сущность изобретения: способ осуществляют в пространственно-временной системе координат в условиях, когда одиночный δ-образный видеоимпульс магнитного поля подают по оси I в момент времени t₁, а дополнительный и аналогичный видеоимпульс поля подают в момент времени t₂ в плоскости XY, причем под углом θ₁ относительно , если выделяют сигналы только от первой спин-системы, или под углом θ₂, когда выделяют сигналы только второй спин-системы. 2 ил.

СПОСОБ УДАРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ФАЗОВОЙ КОГЕРЕНТНОСТИ ОДНОВРЕМЕННО ПО КРАЙНЕЙ МЕРЕ В ДВУХ КВАНТОВЫХ СИСТЕМАХ с произвольными по величине и знаку гиромагнитными константами γ₁ и γ₂ , включающий помещение спин-систем в состоянии инверсии населенностей в постоянное магнитное поле vec} ₁ и одновременное облучение этих спин- систем в момент времени t₁ одиночным δ-образным видеоимпульсом магнитного поля vec} ₁ по оси X, причем системы имеют компоненты намагниченности vec} ₁ (Z, t₁) и vec} ₂(Z, t₁) по оси Z, суммарный сигнал намагниченности S₁, ₂ (Z, t) и компоненты намагниченности vec} ₁ (X, Y, t₁) и vec} ₂ (X, Y, t₁), осциллирующие на резонансных частотах 2πf₀₁ и 2πf₀₂ , и суммарный сигнал когерентности от них S_1,2 (X, Y, t₁), отличающийся тем, что, с целью выделения сигналов только одной выбранной спин-системы путем усиления фазовой когерентности в ней и подавления сигналов от другой, их дополнительно облучают аналогичным δ-видеоимпульсом магнитного поля vec} ₂ в плоскости XY в момент времени t₂ антипараллельного выстраивания осциллирующих компонент намагниченности vec} ₁ (X, Y, t₂) и vec} ₂ (X, Y, t₂), причем видеоимпульс vec} ₂ подают вдоль линии этого выстраивания и параллельно либо осциллирующей компоненте vec} ₁ (X, Y, t₂) либо осциллирующей компоненте vec} ₂ (X, Y, t₂), при этом момент времени t₂определяют по интервалу времени Δ t из соотношений
t₂= t₁+Δ t _;
Δt_1,2= (2n-1)/
где n = 1, 2, 3 . . . - номер события антипараллельного выстраивания осциллирующих компонентов намагниченности (X, Y, t) и (X, Y, t)), при этом для выделения сигналов S₁ (Z, t₂) и S₂ (X, Y, t₂) от одной выбранной спин-системы направление подачи видеоимпульса vec} ₂ относительно подачи видеоимпульса vec} ₁ определяют по углу поворота θ₁ компоненты намагниченности vec} ₁ (X, Y, t₂), вычисляемому по формуле
θ₁= ± Π(2n-1)/
а для выделения сигналов S₂ (Z, t₂) и S₂ (X, Y, t₂) от другой направление подачи видеоимпульса vec} ₂ определяют по углу поворота θ₂компоненты намагниченности vec} ₂ (X, Y, t₂), вычисляемому по формуле
θ₂= ± Π(2n-1) знак "-" в знаменателе выбирают для γ₁ и γ₂ одного знака, знак "+" в знаменателе - для γ₁ и γ₂ разных по знаку, при этом в числителе знак "+" соответствует γ₁<<0 , γ₂<<0 .