Resonancias oscuras en iones atrapados

Autores
Núñez Barreto, Nicolás Adrián
Año de publicación
2024
Idioma
español castellano
Tipo de recurso
tesis doctoral
Estado
versión publicada
Colaborador/a o director/a de tesis
Schmiegelow, Christian Tomás
Descripción
Los iones atrapados han demostrado ser una plataforma experimental muy robusta con di- versas aplicaciones y tecnologías relacionadas, entre las cuales se hallan simuladores cuánticos, metrología cuántica, computación cuántica y relojes atómicos, entre otras. Esta versatilidad es posible ya que estas plataformas permiten confinar desde unos pocos hasta incluso un único ion. Adicionalmente, las técnicas de enfriamiento láser desarrolladas en los últimos 30 años permiten reducir la temperatura de los iones confinados hasta algunos μK, lo cual hace que los efectos cuánticos sean dominantes en la dinámica. Esto hace que, además, constitu- yan una plataforma ideal para estudiar la interacción de la luz con la materia al nivel más fundamental. En esta tesis presentamos la puesta a punto de una trampa de Paul de iones individuales de calcio y la realización de diversos experimentos de interacción luz-materia utilizando prin- cipalmente una técnica espectroscópica conocida como atrapamiento coherente de población, también conocida como transparencia electromagnéticamente inducida. Este fenómeno oca- siona que en el espectro de fluorescencia del átomo emerjan valles conocidos como resonancias oscuras, cuyos anchos son mucho menores a los anchos de línea típicos de las transiciones dipolares. Esto las hace especialmente sensibles a diversas características del átomo, como su velocidad y temperatura, y a factores externos como campos magnéticos y parámetros de los láseres involucrados. A lo largo de esta tesis aprovechamos la versatilidad de dicha técnica para estudiar distintos fenómenos vinculados a la interacción de luz con iones atrapados. En primer lugar realizamos una caracterización de la técnica espectroscópica en profundidad utilizando dos y luego tres láseres de forma tal de evitar fenómenos indeseados de bombeo óptico. Esto permite utilizar un único ion como un polarímetro tridimensional (3D). Luego, exploramos su aplicación a la medición de la temperatura de un ion con miras de aplicarlo en el estudio de transporte de calor y termodinámica cuántica en cadenas de iones. Finalmente, demostramos cómo hacer que esta técnica sea sensible al movimiento azimutal del ion respecto a la dirección de propagación de los láseres utilizando haces estructurados tipo Laguerre-Gauss. Con ello, medimos la forma funcional del efecto Doppler rotacional generado por el movimiento del ion en la trampa utilizando dicho ion como sonda.
Trapped ions have proven to be a very robust experimental platform with many applica- tions and related technologies, including quantum simulators, quantum metrology, quantum computing, and atomic clocks, among others. This versatility is possible because these plat- forms allow the confinement of a few ions as well as even a single ion. Additionally, laser cooling techniques developed over the last 30 years allow the temperature of confined ions to be reduced to a few microkelvins (μK), making quantum effects dominant in their dynamics. This also makes them an ideal platform for studying light-matter interaction at the most fundamental level. In this work, we present the setup of a Paul trap for individual calcium ions and the realization of various experiments on light-matter interaction, mainly using a spectroscopic technique known as coherent population trapping, also known as electromagnetically induced transparency. This phenomenon causes valleys, known as dark resonances, to appear in the atom’s fluorescence spectrum, with widths much narrower than the typical linewidths of dipolar transitions. This makes them particularly sensitive to various characteristics of the atom, such as its velocity and temperature, as well as external factors like magnetic fields and the parameters of the involved lasers. Throughout this thesis, we leverage the versatility of this technique to study different phenomena related to the interaction of light with trapped ions. First, we conduct a thorough characterization of the spectroscopic technique using two and then three lasers to avoid undesirable optical pumping effects. This allows the use of a single ion as a 3D polarimeter. Next, we explore its application to measuring the temperature of an ion with the aim of using it in the study of heat transport and quantum thermodynamics in ion chains. Finally, we demonstrate how to make this technique sensitive to the azimuthal motion of the ion with respect to the laser propagation direction using Laguerre-Gaussian structured beams. With this, we measure the functional form of the rotational Doppler effect generated by the ion’s motion in the trap, using a single ion as a probe.
Fil: Núñez Barreto, Nicolás Adrián. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.
Materia
TRAMPA DE IONES
OPTICA CUANTICA
ESPECTROSCOPIA
RESONANCIAS OSCURAS
ATRAPAMIENTO COHERENTE DE POBLACION
TRANSPARENCIA ELECTROMAGNETICAMENTE INDUCIDA
EFECTO DOPPLER ROTACIONAL
HACES ESTRUCTURADOS
ION TRAP
QUANTUM OPTICS
SPECTROSCOPY
DARK RESONANCES
COHERENT POPULATION TRAPPING
ELECTROMAGNETICALLY INDUCED TRANSPARENCY
ROTATIONAL DOPPLER EFFECT
STRUCTURED BEAMS
Nivel de accesibilidad
acceso abierto
Condiciones de uso
https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ar
Repositorio
Biblioteca Digital (UBA-FCEN)
Institución
Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
OAI Identificador
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Adicionalmente, las técnicas de enfriamiento láser desarrolladas en los últimos 30 años permiten reducir la temperatura de los iones confinados hasta algunos μK, lo cual hace que los efectos cuánticos sean dominantes en la dinámica. Esto hace que, además, constitu- yan una plataforma ideal para estudiar la interacción de la luz con la materia al nivel más fundamental. En esta tesis presentamos la puesta a punto de una trampa de Paul de iones individuales de calcio y la realización de diversos experimentos de interacción luz-materia utilizando prin- cipalmente una técnica espectroscópica conocida como atrapamiento coherente de población, también conocida como transparencia electromagnéticamente inducida. Este fenómeno oca- siona que en el espectro de fluorescencia del átomo emerjan valles conocidos como resonancias oscuras, cuyos anchos son mucho menores a los anchos de línea típicos de las transiciones dipolares. Esto las hace especialmente sensibles a diversas características del átomo, como su velocidad y temperatura, y a factores externos como campos magnéticos y parámetros de los láseres involucrados. A lo largo de esta tesis aprovechamos la versatilidad de dicha técnica para estudiar distintos fenómenos vinculados a la interacción de luz con iones atrapados. En primer lugar realizamos una caracterización de la técnica espectroscópica en profundidad utilizando dos y luego tres láseres de forma tal de evitar fenómenos indeseados de bombeo óptico. Esto permite utilizar un único ion como un polarímetro tridimensional (3D). Luego, exploramos su aplicación a la medición de la temperatura de un ion con miras de aplicarlo en el estudio de transporte de calor y termodinámica cuántica en cadenas de iones. Finalmente, demostramos cómo hacer que esta técnica sea sensible al movimiento azimutal del ion respecto a la dirección de propagación de los láseres utilizando haces estructurados tipo Laguerre-Gauss. Con ello, medimos la forma funcional del efecto Doppler rotacional generado por el movimiento del ion en la trampa utilizando dicho ion como sonda.Trapped ions have proven to be a very robust experimental platform with many applica- tions and related technologies, including quantum simulators, quantum metrology, quantum computing, and atomic clocks, among others. This versatility is possible because these plat- forms allow the confinement of a few ions as well as even a single ion. Additionally, laser cooling techniques developed over the last 30 years allow the temperature of confined ions to be reduced to a few microkelvins (μK), making quantum effects dominant in their dynamics. This also makes them an ideal platform for studying light-matter interaction at the most fundamental level. In this work, we present the setup of a Paul trap for individual calcium ions and the realization of various experiments on light-matter interaction, mainly using a spectroscopic technique known as coherent population trapping, also known as electromagnetically induced transparency. This phenomenon causes valleys, known as dark resonances, to appear in the atom’s fluorescence spectrum, with widths much narrower than the typical linewidths of dipolar transitions. This makes them particularly sensitive to various characteristics of the atom, such as its velocity and temperature, as well as external factors like magnetic fields and the parameters of the involved lasers. Throughout this thesis, we leverage the versatility of this technique to study different phenomena related to the interaction of light with trapped ions. First, we conduct a thorough characterization of the spectroscopic technique using two and then three lasers to avoid undesirable optical pumping effects. This allows the use of a single ion as a 3D polarimeter. Next, we explore its application to measuring the temperature of an ion with the aim of using it in the study of heat transport and quantum thermodynamics in ion chains. Finally, we demonstrate how to make this technique sensitive to the azimuthal motion of the ion with respect to the laser propagation direction using Laguerre-Gaussian structured beams. With this, we measure the functional form of the rotational Doppler effect generated by the ion’s motion in the trap, using a single ion as a probe.Fil: Núñez Barreto, Nicolás Adrián. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.Universidad de Buenos Aires. 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Trapped ions have proven to be a very robust experimental platform with many applica- tions and related technologies, including quantum simulators, quantum metrology, quantum computing, and atomic clocks, among others. This versatility is possible because these plat- forms allow the confinement of a few ions as well as even a single ion. Additionally, laser cooling techniques developed over the last 30 years allow the temperature of confined ions to be reduced to a few microkelvins (μK), making quantum effects dominant in their dynamics. This also makes them an ideal platform for studying light-matter interaction at the most fundamental level. In this work, we present the setup of a Paul trap for individual calcium ions and the realization of various experiments on light-matter interaction, mainly using a spectroscopic technique known as coherent population trapping, also known as electromagnetically induced transparency. This phenomenon causes valleys, known as dark resonances, to appear in the atom’s fluorescence spectrum, with widths much narrower than the typical linewidths of dipolar transitions. This makes them particularly sensitive to various characteristics of the atom, such as its velocity and temperature, as well as external factors like magnetic fields and the parameters of the involved lasers. Throughout this thesis, we leverage the versatility of this technique to study different phenomena related to the interaction of light with trapped ions. First, we conduct a thorough characterization of the spectroscopic technique using two and then three lasers to avoid undesirable optical pumping effects. This allows the use of a single ion as a 3D polarimeter. Next, we explore its application to measuring the temperature of an ion with the aim of using it in the study of heat transport and quantum thermodynamics in ion chains. Finally, we demonstrate how to make this technique sensitive to the azimuthal motion of the ion with respect to the laser propagation direction using Laguerre-Gaussian structured beams. With this, we measure the functional form of the rotational Doppler effect generated by the ion’s motion in the trap, using a single ion as a probe.
Fil: Núñez Barreto, Nicolás Adrián. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.
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