Лаборатория "Оптика сложных квантовых систем"

Цель проекта – создание транспортируемого стандарта частоты в оптическом диапазоне нового типа на основе атомов тулия, обеспечивающего долговременную нестабильность частоты на уровне 10-17, разработка транспортируемых компактных лазерных систем на основе ультрастабильных резонаторов с кратковременной нестабильностью частоты в 10-15, разработка моделей и экспериментальные исследования механизмов захвата, лазерного охлаждения и подготовки квантовых состояний ионов, методов манипуляции ионными кубитами и кудитами, исследование и оптимизация квантовых алгоритмов, исследование методов управления эволюцией волновой функции открытых квантовых систем с помощью слаборазрушающих измерений, исследование свойств центров окраски в алмазе, создание сенсоров на базе центров окраски в алмазе, применение новых методов считывания состояния твердотельных квантовых систем, исследования оптического ядерного перехода с энергией в области 8-9 эВ в атомах тория-229, поиск методов реализации эффективного возбуждения изомерного ядерного перехода фотонами, в том числе, лазерным излучением и электронным пучком в твердотельных мишенях (в диэлектриках с большой шириной запрещенной зоны) и в ловушке Пауля, изучение оптических свойств нанорезонаторов и других наноструктур для управления свойствами света на наномасштабах и, в частности, для создания оптических ловушек для атомов. Методология проведения работы – в рамках выполнения данной тематики Государственного задания проводились как экспериментальные, так и теоретические исследования. Результаты работы: 1) Рассчитана динамика возбуждения аномально низко лежащего изомерного уровня в ядре 229Th в рамках модели, в которой электронная оболочка атома (иона) Th и ядро 229Th рассматриваются как ядерная квантовая батарея. 2) Разработана 3D программа для расчета оптических полей и скоростей спонтанного излучения нейтральных атомов в многослойных перфорированных метаповерхностях, совместимых с современными методами литографии. Разработана 2D программа для расчета осесиметричных полей в наноотверстии, которые возникают при нормальном падении циркулярно-поляризованной волны. 3) Найдены геометрии диэлектрических нанопленок с наноотверстиями, в которых реализуются градиентные ловушечные конфигурации оптических полей для атомов щелочных металлов. 4) Найдено семейство ранее неизвестных мод в нанорезонаторах, которые могут быть использованы для создания высокочувствительных наносенсоров и других оптических наноустройств, в которых потери на излучение и рассеяние должны быть минимальными. 5) Экспериментально и теоретически исследован процесс перегрузки ионов иттербия между квадрупольным и мультипольным сегментами ловушки. 6) Сравнение экспериментальных и расчетных данных показали, что эффективность перезгрузки существенно снижена за счет краевых эффектов на границе сегментов. Для преодоления этой проблемы спроектирован и изготовлен резонансный трансформатор для питания электродов ловушки с четырьмя независимыми вторичными обмотками, что позволит устранить краевые эффекты. 7) На основе численных расчетов проникновения излучения на частоте 12.6 ГГц внутрь мультипольной ловушки была спроектирована и создана антенна для проведения спектроскопии микроволнового перехода в ионе иттербия-171. 8) Осуществлена стабилизация частоты лазерного источника на длине волны 1162 нм относительно фемтосекундной гребенки частот для осуществления прецизионной спектроскопии перехода между состояниями 2D3/2 и 2F5/2 в ионе иттербия-171. 9) Проведена спектроскопия перехода между состояниями 2D3/2 и 2F5/2 в ионе иттербия-171. Выявлена необходимость улучшения эффективности перекачки населенности из долгоживущего F-состояния для дальнейшего уточнения абсолютной частоты перехода. 10) Теоретически показано, что в открытой квантовой системе, связанной с диссипативной средой частично сохраняется когерентность квантового состояния при наличии слабой схемы измерения и классической обратной связи. 11) Произведена спектроскопия запрещенных переходов в основном состоянии ансамбля NV-центров окраски в алмазе с природным содержанием атомов углерода 13С. 12) Исследован эффект когерентного пленения населенности (КПН) в Λ системе на ядерных подуровнях основного состояния ансамбля NV-центров окраски в алмазе. В КПН резонансе достигнут видимый контраст в 98±11% на резонансной частоте, что соответствует 35% поляризации ядерного спина. Этот факт подтверждает осуществимость когерентного управления ядерным спином даже в алмазных пластинах с естественным содержанием углерода-13. 13) Исследована динамика тепловых процессов в высокодобротном резонаторе на длине волны 1550 нм при нагреве зеркал циркулирующим в резонаторе излучением. Проведено моделирование процессов с использованием нестационарной теоретической модели и методом конечных элементов и экспериментальное наблюдение оптической бистабильности. 14) Исследовано влияние различных источников шумов на работу петли обратной связи в системе стабилизации частоты излучения лазера на длине волны 1.5 мкм по высокодобротному резонатору; проведена оптимизация системы, позволившая на порядок снизить относительную нестабильность частоты, обеспечиваемую петлей – до нескольких единиц пятнадцатого знака. 15) Проведён эксперимент по сличению двух тулиевых оптических часов методом синхронного опроса. Достигнутой точности в разности оптических частот достаточно, чтобы определить относительное смещение на уровне 1 м по вертикали в гравитационном поле Земли. 16) Благодаря методам оптической накачки и охлаждения на боковых колебательных частотах, было реализовано охлаждение до основного колебательного состояния в оптической решётке для атомов тулия. Радиочастотным излучением и микроволновым полем вместе с вычищающим излучением на длине волны 530 нм была реализована подготовка порядка 10 тысяч атомов в двух начальных состояниях для спектроскопии часового перехода, при этом атомы имеют температуру, соответствующую среднему колебательному числу на уровне сотых долей. 17) Разработан дизайн вакуумной системы для создания непрерывной магнито-оптической ловушки, работающей на переходе 530 нм с загрузкой из холодного атомного пучка, собрана вакуумная система и оптическая обвязка. 18) Собрана экспериментальная установка, позволяющая охлаждать сапфировую подложку до температуры 5.8 К, напылять кристалл благородного газа неона или аргона и напылять атомы тулия из атомной печки. Также предусмотрен метод испарения кристалла с помощью дополнительного нагрева для проведения серии экспериментов по напылению. За отчетный период подготовлено 21 публикация в высокорейтинговых рецензируемых журналах, индексируемых в системах WoS, Scopus или РИНЦ.