foton erős kölcsönhatása MIKROMÉZER egy atom és egy foton erős kölcsönhatása lézer: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation mézer: Microwave Ampl……… (előbb volt) Az atom átrepül a fotont tartalmazó rezonátoron – erős kölcsönhatás kell, hogy azalatt történjen valami jó rezonátor kell, hogy azalatt a foton koherens maradjon nagy d nagy E Nagy a dipólmomentum, ha magasan gerjesztett állapot n»1: Rydberg-állapotok messze az atomtörzstől: hidrogén-szerű cirkuláris Rydberg-állapotok: sima, hosszú élettartam ~ 0.03 s n=50, 51: átmenetek mikrohullámban (10-100 GHz) Rezonátor szupravezető nióbiumból, 0.5 K alatt:

1 módus rezonál az atomra CAVITY QED Nobel-díj 2012 nagy E: egy foton elektromos tere akkor erős, ha a foton-módus térfogata kicsi (lásd: elmélet) gyenge (1-10 foton) mikrohullámú forrás Serge HAROCHE és csapata, École Normale Supérieure, Párizs 1990-es évek ionizációs detektorok: az első a gerjesztett, a második az alap- állapotra élesítve Nobel-díj 2012 ) atomforrás (kályha) e g 1 módus rezonál az atomra CAVITY QED cirkuláris Rydberg preparáló doboz (bonyolult!) nagy jóságú, nyitott Fabry-Perot rezonátor („ÜREG”)

Preparálás: lassan csökkenő („adiabatikus”) Stark-térben Cirkuláris Rydberg-atomok (n nagy, |m| = n-1) nagy dipólmomentum egyetlen dipól-megengedett bomlás: n →n-1, |m|→|m|-1, emiatt hosszú élettartam: 0.03 s gyenge Stark-effektus: szórt elektromos terekre érzéketlen Preparálás: lassan csökkenő („adiabatikus”) Stark-térben gyors optikai átmenetek m (Stark-szintek: lineáris + kvadratikus) Hulet és Kleppner, PRL 1983 n-1 4 3 2 1 hν besugárzás t

ELMÉLET 1 foton elektromos tere: nagy, ha V kicsi módusfüggvény Elhanyagoljuk, ami egy lépésben sérti az energiamegmaradást: „FORGÓHULLÁM-KÖZELÍTÉS” (lásd: neutron-spinforgatás)

JAYNES-CUMMINGS MODELL A forgóhullám-közelítéssel már csak két állapot kapcsolódik össze: gerjesztett atom n fotonnal ////// alapállapotú atom n+1 fotonnal Válasszuk most ezeket a „felöltözött állapotokat” új bázisnak: Használva még, hogy , amit trükkösen így írhatunk: emlékeztetőnek: foton atom

különbségük: ~50 kHz a Rabi-frekvencia 1) Kísérlet pontos rezonanciában: RABI-OSZCILLÁCIÓK δ=0: R(n=0) ≠ 0 foton-vákuum sajátvektorai: sajátértékei: különbségük: ~50 kHz a Rabi-frekvencia

Az „e” gerjesztett állapot betöltése: állapotban (nem energiasajátállapot!!) preparált bejövő atom fejlődése: Az „e” gerjesztett állapot betöltése: kimérhető a preparáló és a detektor időkapuzásával! A rezonátorban különböző fotonszámok keveréke van: a detektor jele különböző frekvenciájú tagok összege

2) Kísérlet elhangolva a rezonanciától: gyenge erők interferometriája a rezonátor n fotonnal fogadja az „e” (gerjesztett) állapotú atomot: sajátértékei: elég nagy elhangolásra a felső felel meg az n foton + e atomnak, a fény okozta eltolódással a rezonátor n fotonnal fogadja a „g” (alap-) állapotú atomot: az alsó előjelet kell venni, de eggyel kevesebb fotonnal:

Erős fény: LÉZERCSIPESZ Itt: roppant gyenge erők! > 0 („kék elhangolás”) e g < 0 („vörös elhangolás”) Az atom „benne marad abban az állapotban, amelyben bejött” a rezonátorba, csak odabent az energiaszintjei eltolódnak. Miért is marad benne? Azért, mert LASSAN, SÍMÁN lép be és ki: az erre jellemző Fourier-frekvenciák sokkal kisebbek a rezonáns frekvenciánál, ezért nem váltanak ki reális átmenetet: ADIABATIKUSSÁG Erős fény: LÉZERCSIPESZ Itt: roppant gyenge erők! Hogy lehet őket mérni?

Ezt lehet mérni RAMSEY-INTERFERENCIÁVAL! v sebességgel átrepülve a d átmérőjű rezonátor-móduson, a szuperpozició két ága között felhalmozódó fáziskülönbség Ezt lehet mérni RAMSEY-INTERFERENCIÁVAL! (eredetileg: mágneses rezonancia) két-foton folyamat , - rossz rezonátorok klasszikus elektromos tér Spontán emisszió nem lényeges

-pulzus fele-fele szuperpoziciót gyárt: ha a Ramsey-rezonátorok forrása pontosan az atomi rezonanciára van hangolva, a repülés közben az atomi „kvázispin” együtt pörög a térrel, és a második rezonátor csak befejezi, amit az első elkezdett: Ha a Ramsey-forrás el van hangolva a rezonanciától, a két rezonátor közti v sebességű, L hosszú repülésen Φ fáziskülönbség halmozódik fel: Ehhez a Φ-hez adódik hozzá az atom-foton kölcsönhatásból eredő A fázistolásból mérhető a kölcsönhatás, vele a fotonok száma!

Brune et al., PRL 72, 3339 (1994) Quantum Non-Demolition (fotonokat szét nem roncsoló) fotonszám-mérés Koherens fotonállapotok a mikromézerben → Schrödinger-macskák