Coherent Ramsey resonances in coated cells for application in optical magnetometry

Project leaders

Silvia Gozzini, Sanka Gateva

Agreement

BULGARIA - BAS - Bulgarian Academy of Sciences

Call

CNR/BAS 2013-2015

Department

Materials and Devices

Thematic area

Physical sciences and technologies of matter

Status of the project

New

Research proposal

Negli ultimi anni è stato dedicato un crescente interesse allo studio di risonanze ottiche basate su effetti coerenti in atomi alcalini soprattutto in vista dei loro numerosi impieghi nella fisica fondamentale e nelle sue applicazioni.
La produzione di coerenze atomiche di lunga vita media è un elemento imprescindibile per la realizzazione di risonanze coerenti con larghezze spettrali di ordini di grandezza inferiori alla larghezza naturale di una transizione ottica. Il decadimento delle coerenze a causa degli urti tra gli atomi nella fase vapore e le pareti delle celle è quindi uno tra i principali fattori limitanti per la risoluzione e la sensibilità degli esperimenti e per la strumentazione da essi derivata. Inoltre, la recente tendenza a costruire dispositivi miniaturizzati basati su celle di dimensioni micrometriche ha introdotto ulteriori difficoltà tecniche. Un metodo molto utilizzato per limitare l’effetto di depolarizzazione degli atomi è quello di aggiungere una certa quantità di gas tampone, solitamente gas nobile, in modo da rallentare la diffusione degli atomi riducendo così la frequenza degli urti con le pareti e al contempo aumentando il tempo di interazione con la radiazione laser. D’altra parte, uno svantaggio immediato di questa tecnica è costituito dalla ridotta efficienza dell’eccitazione laser singolo modo della transizione ottica dovuto all’allargamento collisionale. Altri fattori limitanti pratici sono dovuti alla necessità di ottenere miscele con proporzioni definite tra alcalino e gas tampone: se il vapore alcalino è ottenuto a partire da una riserva solida, tali proporzioni non sono costanti con il variare della temperatura (tipicamente può esserci un rapporto gas tampone/vapore attivo che varia da 10^5 a 10^7), inoltre, la necessità di introdurre nella cella una sufficiente quantità di gas inerte ne limita la miniaturizzazione.
Come dimostrato in nostri recenti lavori, l’impiego di rivestimenti anti-rilassamento è risultato molto efficace nel preservare la coerenza tra gli stati fondamentali degli atomi, senza le potenziali limitazioni del gas tampone: il rivestimento organico è, come noto, in grado di mantenere la coerenza anche in seguito all’urto atomo/parete e questo ha permesso di osservare risonanze coerenti ultrastrette, fino ad 1/60 Hz. Allo stesso tempo, questi coatings permettono una facile miniaturizzazione dell’intero dispositivo ed anche l’impiego di tecniche fotodesorbimento (Light-Induced Atomic Desorption, LIAD) per il controllo delle densità atomiche a temperatura ambiente.
Inoltre, è stato osservato come i rivestimenti organici producano un ulteriore restringimento delle risonanze Electromagnetically Induced Transparency (EIT) indotte dall'effetto di Coherent Population Trapping (CPT) tramite il cosiddetto wall-induced Ramsey effect. Sebbene il tempo di interazione atomo/radiazione coerente in una cella munita di rivestimento anti-rilassamento sia più breve di quello ottenuto in presenza di opportune pressioni di gas tampone, il coating permette agli atomi di uscire e rientrare nel volume mantenendo la coerenza e realizzando così un’interazione ripetuta tra fotoni e coerenze tra i livelli fondamentali che dipende sia dalla frequenza di risonanza dei livelli fondamentali che dal tempo di volo.
Si crea così un significativo restringimento della larghezza spettrale delle risonanze coerenti per effetto Ramsey, con immediati effetti in termini di risoluzione e sensibilità dell’apparato sperimentale.
Lo sfruttamento di questo processo, inoltre, apre nuove possibilità per l’analisi dell’interazione atomo/superficie in celle rivestite e, in particolare, può portare all’implementazione di una tecnica non distruttiva per il monitoraggio e la diagnostica del polimero che costituisce il rivestimento interno della cella. Attualmente, infatti, tutti i metodi di indagine diretta comportano il danneggiamento o la completa distruzione del polimero, della cella o di entrambi, con ovvie difficoltà e limitazioni.
In questo contesto, inoltre, la possibilità di applicare l’effetto LIAD potrebbe consentire ulteriori vantaggi: da un lato, infatti, la densità atomica può essere controllata otticamente riducendo la temperatura di lavoro (Bogi et al., Opt. Lett. 34, 2643-2645, 2009), con conseguente diminuzione del rischio di usura e danneggiamento del coating stesso e di tutto l’apparato sperimentale, e dall’altro offre un approccio alternativo per il contenimento del costo energetico di un dispositivo miniaturizzato destinato all’uso sul campo. Allo stesso tempo, inoltre, il fotodesorbimento può contribuire all’ulteriore riduzione dei tassi di rilassamento delle coerenze (Marmugi et al., J. Opt. Soc. Am. B 29, 2729-2733, 2012) e dunque anche ad una maggiore efficienza dell’effetto Ramsey prodotto a seguito delle collisioni atomo/parete.
Durante la fase finale del progetto, saranno valutate le possibili applicazioni pratiche dei risultati ottenuti che saranno sfruttati per l’ottimizzazione di magnetometri ottici in vista di usi in metrologia, scienze dei materiali, geologia, biomedicina. Questa fase potrà trarre giovamento anche dagli studi recentemente condotti dal gruppo di ricerca sugli effetti di campi magnetici alternati sulla dinamica degli spin atomici (Bevilacqua et al., Phys. Rev. A 85, 042510, 2012); queste tecniche permetteranno in particolare di modificare alcuni fenomeni di rilassamento che sono alla base dei limiti alla sensibilità dei magnetometri ottici e, allo stesso tempo, di approfondire ed estendere ad un regime in cui è presente l’effetto Ramsey gli studi più prettamente scientifici attualmente in corso.

Research goals

Il progetto ha un obiettivo principale (1) e quattro obiettivi parziali legati indissolubilmente a questo ed interdipendenti tra loro, che si svilupperanno durante tutta la durata del progetto (2, 3, 4, 5). Ognuno dei punti indicati, inoltre, ha implicitamente possibili ricadute pratiche di tipo tecnologico.
1. Studio teorico e sperimentale degli effetti coerenti quali CPT ed EIT in celle rivestite di polimeri organici contenenti K, Rb e Cs e dell’influenza dell’effetto Ramsey: caratterizzazione, analisi ed individuazione delle configurazioni sperimentali più efficienti per applicazione alla magnetometria ottica.
2.  Caratterizzazione dell’interazione atomo/parete rivestita di polimeri organici.
3. Studio dell’influenza dell’effetto di desorbimento fotoatomico (LIAD) sui processi coerenti.

4. Implementazione di un protocollo non distruttivo di indagine e diagnostica dei rivestimenti anti-rilassamento.

5. Ottimizzazione dell’apparato sperimentale basato sull’effetto Ramsey: individuazione dei parametri operativi migliori, controllo della sua risposta lineare a sollecitazioni dc deboli
 

Last update: 20/04/2024