Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ УДАРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ФАЗОВОЙ КОГЕРЕНТНОСТИ ОДНОВРЕМЕННО ПО КРАЙНЕЙ МЕРЕ В ДВУХ КВАНТОВЫХ СИСТЕМАХ
СПОСОБ УДАРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ФАЗОВОЙ КОГЕРЕНТНОСТИ ОДНОВРЕМЕННО ПО КРАЙНЕЙ МЕРЕ В ДВУХ КВАНТОВЫХ СИСТЕМАХ

СПОСОБ УДАРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ФАЗОВОЙ КОГЕРЕНТНОСТИ ОДНОВРЕМЕННО ПО КРАЙНЕЙ МЕРЕ В ДВУХ КВАНТОВЫХ СИСТЕМАХ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: 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.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2009585
Класс(ы) патента: H01S1/06
Номер заявки: 4947008/25
Дата подачи заявки: 19.06.1991
Дата публикации: 15.03.1994
Заявитель(и): Пестов Евгений Николаевич
Автор(ы): Пестов Евгений Николаевич
Патентообладатель(и): Пестов Евгений Николаевич
Описание изобретения: 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 fо или νo-o , которое индуцирует вынужденные квантовые переходы между энергетическими уровнями определенного типа: зеемановскими - на частотах до fo ≈107 Гц в квантовых магнитометрах и ЯМР; сверхтонкими - на частотах νo-o ≈1010 Гц в атомных стандартах частоты и ЭПР. При этом действие резонансного облучения, в частности магнитного поля (X)·cos2πfo·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˙ fo и называемой компонентой когерентности с сигналом от нее S(X, Y, t).
Одна из особенностей резонансного способа заключается в том, что длительность поля облучения τобл . , которое может иметь и прерывистый характер, значительно больше периода То частоты вынужденных колебаний данного квантового перехода, т. е. всегда выполняется условие τобл>> То.
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)·cos2πfo·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)·cos2πfo·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(τи) длительностью τи, много меньшей периода То, т. е. τи<>o , где δ(τи) - 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 S1,2(Z, t) по оси Z и суммарный сигнал когерентности S1,2(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 τи подается по оси Х в момент времени t1 и за время своего действия τи 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
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 τи 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 t1,2 = 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 τиусилить 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 Но≈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 fo1 = 175 кГц, другая (II) принадлежит F = 3 состоянию и характеризуется - γ2 и значением fo2 ≈ 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 fo1 (F = 4), либо на частоте fo2 (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
Δt1,2= t2= · = · 101,4·10-6c. Таким образом, первое противосостояние (n = 1) осциллирующих компонент (F= 4) и (F= 3) наступает через Δ t1,2 = 1,4 мкс. Значение угла Θ1 и направление подачи видеоимпульса относительно (X) определяются из формулы (2)
Θ1= + = +90°. Значение Θ1 = 90о 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= -90o 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 fo1≈ 230 кГц, другая (87Rb) имеет + γ2 и fo2 ≈ 350 кГц.
Требуется выделить сигналы только от одного рабочего вещества или от другого. Принимая t1 = 0 и n = 1, из формулы (1) получаем Δ t1,2= 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= 345o 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 t1,2 должна быть меньше времени τ2 поперечной релаксации, т. е. Δt1,2 < 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 fo1 и fo2 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 τи видеоимпульсов в обоих каналах составляла ≈0,3 мкс. При подаче видеоимпульса по оси Х на осциллографе типа С1-69 возникал суммарный сигнал когерентности S1,2(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 t1,2 = t2 ≈ 1,3 мкс (относительно первого) видеоимпульса по оси +Y оставался только сигнал S1(X, t) на частоте fo1. При изменении полярности видеоимпульса на - получался только сигнал когерентности S2(X, t) на частоте fo2 (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.
Формула изобретения: 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 S1,2 (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 ;
Δt1,2= (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 .