способ ударного возбуждения фазовой когерентности одновременно по крайней мере в двух квантовых системах

Формула изобретения

СПОСОБ УДАРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ФАЗОВОЙ КОГЕРЕНТНОСТИ ОДНОВРЕМЕННО ПО КРАЙНЕЙ МЕРЕ В ДВУХ КВАНТОВЫХ СИСТЕМАХ с произвольными по величине и знаку гиромагнитными константами ₁ и ₂ , 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 -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 2f₀₁ и 2f₀₂ , и суммарный сигнал когерентности от них S_1,2 (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 -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 t из соотношений

t₂= t₁+ t _;

t_1,2= (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 ₁ компоненты намагниченности vec} ₁ (X, Y, t₂), вычисляемому по формуле

₁= (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 ₂компоненты намагниченности vec} ₂ (X, Y, t₂), вычисляемому по формуле

₂= (2n-1) знак "-" в знаменателе выбирают для ₁ и ₂ одного знака, знак "+" в знаменателе - для ₁ и ₂ разных по знаку, при этом в числителе знак "+" соответствует ₁<<0 , ₂<<0 .

Описание изобретения к патенту

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 f_о или _o-o , которое индуцирует вынужденные квантовые переходы между энергетическими уровнями определенного типа: зеемановскими - на частотах до f_o 10⁷ Гц в квантовых магнитометрах и ЯМР; сверхтонкими - на частотах _o-o 10¹⁰ Гц в атомных стандартах частоты и ЭПР. При этом действие резонансного облучения, в частности магнитного поля (X)cos2f_ot 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 f_o и называемой компонентой когерентности с сигналом от нее S(X, Y, t).

Одна из особенностей резонансного способа заключается в том, что длительность поля облучения _обл . , которое может иметь и прерывистый характер, значительно больше периода Т_о частоты вынужденных колебаний данного квантового перехода, т. е. всегда выполняется условие _обл>> Т_о.

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)cos2f_ot, 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)cos2f_ot, а фазовая когерентность зеемановских подуровней в спин-системе осуществляется полем другого типа путем облучения ее коротким одиночным -образным видеоимпульсом магнитного поля вида (X)(_и) длительностью _и, много меньшей периода Т_о, т. е. _и< , где (_и) - 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 ₁ и ₂, 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= ₁H₀, а в другой момент (X, Y, t) осциллирует на частоте f₀₂= ₂H₀, близкой к f₀₁. После действия видеоимпульса образуется суммарный сигнал намагниченности S_1,2(Z, t) по оси Z и суммарный сигнал когерентности S_1,2(X, Y, t) в плоcкоcти XY, который иcпытывает биения на разноcтной чаcтоте = 2 | 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 ₁ > 0 и ₂ > 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 ).

-образный одиночный видеоимпульс магнитного поля длительностью _и подается по оси Х в момент времени t₁ и за время своего действия _и формирует вдоль оси Х компоненты (X) и (X), которые затем становятся осциллирующими компонентами (X, Y, t) и (X, Y, t).

-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 ₁, а компонента (X, Y, t) другой (II) повернулась на угол ₂= ₁+

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 _и 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 _{1 2} и к тому же со встречным направлением вращения, если гиромагнитные константы имеют разные знаки: +₁и-₂ . Поэтому через некоторый интервал t_1,2 = 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 _иусилить 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 ₁ 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 ₁ - 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 ₂ - время релаксации поперечной осциллирующей компоненты (X, Y, t).

П р и м е р 1. Выделение сигналов в постоянном поле Н_о0,5 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 + ₁ и зеемановской частотой f_o1 = 175 кГц, другая (II) принадлежит F = 3 состоянию и характеризуется - ₂ и значением f_o2 175,5 кГц.

Требуется определить время t₂, углы ₁ и ₂, чтобы установить фазовую когерентность только в одной спин-системе и получить сигналы либо на частоте f_o1 (F = 4), либо на частоте f_o2 (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

t_1,2= t₂= = 101,410^-6c. Таким образом, первое противосостояние (n = 1) осциллирующих компонент (F= 4) и (F= 3) наступает через t_1,2 = 1,4 мкс. Значение угла ₁ и направление подачи видеоимпульса относительно (X) определяются из формулы (2)

₁= + = +90. Значение ₁ = 90^о показывает, что для получения сигналов только от состояния F = 4 видеоимпульс нужно подать по оси +Y, т. е. = +(Y). Значение угла ₂ и направление подачи видеоимпульса в этом случае определяется из формулы (3):

₂= - - = -90. Из полученного значения ₂= -90^o 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 + ₁ и f_o1 230 кГц, другая (⁸⁷Rb) имеет + ₂ и f_o2 350 кГц.

Требуется выделить сигналы только от одного рабочего вещества или от другого. Принимая t₁ = 0 и n = 1, из формулы (1) получаем t_1,2= t₂ 4,5 мкс. Для изотопа ⁸⁵Rb из формулы (2) получаем ₁= + . Это означает, что сигналы от ⁸⁵Rb будут наблюдаться при подаче под углом ₁= 345^o по отношению к направлению . Для изотопа ⁸⁷Rb из формулы (3) получаем ₂= + . Это означает, что сигналы от ⁸⁷Rb будут наблюдаться при подаче под углом ₁= = 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 t_1,2 должна быть меньше времени ₂ поперечной релаксации, т. е. t_1,2 < ₂ .

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 f_o1 и f_o2 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 _и видеоимпульсов в обоих каналах составляла 0,3 мкс. При подаче видеоимпульса по оси Х на осциллографе типа С1-69 возникал суммарный сигнал когерентности S_1,2(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 t_1,2 = t₂ 1,3 мкс (относительно первого) видеоимпульса по оси +Y оставался только сигнал S₁(X, t) на частоте f_o1. При изменении полярности видеоимпульса на - получался только сигнал когерентности S₂(X, t) на частоте f_o2 (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.