OPO Atômico
Pesquisador Responsável: Dr. Hans Marin Florez
Um outro sistema que têm atraído a atenção para os vapores atômicos é o desenvolvimento de fontes de luz com correlações quânticas ou compressão de ruído Squeezing. No contexto de sensoriamento quântico [1], a luz comprimida é uma ferramenta importante para aumentar a sensitividade dos sensores baseados em leitura óptica, em situações em que aumentar a intensidade para melhorar a sensitividade pode danificar a amostra, como amostras biológicas ou está no limite de potência da fonte de luz. Foi demonstrado que a luz comprimida aumenta a sensitividade do interferômetro como LIGO [2,3], posição do micro-cantilever [4], bem como imagens quânticas[5,6] onde é importante para a resolução de imagens biológicas e sensores plasmônicos para detecção de vírus[7], entre outros. Um dos sistemas em que pode ser usada a luz comprimida é o magnetômetro atômico, como mostra a figura 2. Isso implica produzir luz comprimida no comprimento de onda de interação com as espécies atômicas.
Amplificação Paramétrica Óptica (OPA)
Vapores atômicos podem funcionar como um amplificador paramétrico óptico (OPA)[10] através do processo de mistura de quatro ondas (4WM). Tipicamente, o feixe de bombeamento acopla a linha D1 dos átomos alcalinos dessintonizados ao azul em relação ao estado excitado. Ao acoplar um feixe de semente próximo da dessintonia do bombeio, acontece o processo 4WM onde o próprio feixe semente e seu feixe conjugado são amplificados, como mostra a figura 3. A diferença de frequência dos feixes amplificados é dada pela diferença em frequência dos níveis hiperfinos $\omega_{HF}$. O processo de 4WM pode ser descrito pela interação: $ \hat H = \chi^{(3)} [\alpha^2 _p \hat a^{\dagger} \hat b^{\dagger} + h.c.]$
onde o campo de bombeamento é assumido como um campo clássico $\alpha^2$, e o processo de amplificação aniquila dois fótons do bombeio para criar um fóton no feixe semente e um fóton no conjugado. O ganho óptico G pode variar de 200% a 2000% dentro de uma largura de banda espectral de aproximadamente 20MHz. O parâmetro Squeezing para este OPA pode ser escrito como $S = /(2G -1)$, tal que para nenhuma amplificação $G=1$ não há squeezing, enquanto para $G>1$ o sistema produz $S<1$.
Com uma potência típica de ~400mW para o campo de bombeamento e um feixe de sementes, o processo 4WM em $^{85} Rb$ e uma temperatura de 90ºC, pode produzir até 9 dB de compressão de ruído de dois modos.
Recentemente, nos trabalhos [9,11], demonstramos a implementação de um OPO baseado no processo 4WM, como a figura 1. Este sistema OPO produz feixes gêmeos acima do limiar com uma finesse variável que nos permite controlar facilmente a potência do limiar. Ao colocar o meio de alto ganho óptico dentro de uma cavidade, os campos gerados interagem várias vezes com o meio atômico. Quando o ganho supera as perdas, o OPO pode oscilar acima do limiar.
Em contraste com o OPO em cristais onde o ganho óptico é de cerca de 4%, no caso de 4WM em átomos, o ganho vai de 20% a 2000%. Ao operar com uma finesse de ~20, o OPO pode operar com uma potência de bombeamento de pelo menos ~100mW, como mostra a figura 5. Como consequência, o OPO atômico pode gerar feixes gêmeos com correlações quânticas com 25% a 50% da potência de um OPA, e portanto, um sistema mais eficiente em consumo de energia.
Vale mencionar que a compressão de dois modos produzida pelo OPO não precisa de nenhum feixe de semente. Portanto, é um sistema simples que, em contraste com o OPO com cristais e o OPA com átomos, pode ser uma fonte eficiente e compacta de luz comprimida. Essa simplicidade também está relacionada com a possibilidade de explorar o OPO com diferentes espécies atômicas para produzir luz comprimida em outros comprimentos de onda. A fim de melhorar a sensitividade do magnetômetro vetorial, esta proposta visa implementar um oscilador paramétrico óptico (OPO) atômico para interagir com o magnetômetro atômico.
OPO Híbrido
Uma vantagem desse tipo de OPO atômico é que a mesma configuração pode ser trabalhada com outra espécie alcalina, por exemplo, usando Cs em vez de Rb, ou inclusive com duas espécies diferentes simultaneamente. Nessa mesma cavidade pode ser usada para produzir feixes gêmeos gerados por Rubídio e Césio. Desta forma seria possível gerar feixes compatíveis com Rubídio separados com uma frequência de $2\omega_{HF} = 6.070$ GHz, enquanto para o Césio os feixes gêmeos são separados por ~18.384 GHz.
[1] .L. Degen, F. Reinhard, and P. Cappellaro, Rev. Mod. Phys. 89, 035002 (2017).
[2] M. Tse et al., Phys. Rev. Lett. 123, 231107 (2019)
[3] F. Acernese et al., Phys. Rev. Lett. 123, 231108 (2019)
[4] B. J. Lawrie, P. D. Lett, A. M. Marino and R. C. Pooser, ACS Photonics 2019, 6, 1307 – 1318.
[5] Jeremy B. Clark, Zhifan Zhou, Quentin Glorieux, Alberto M. Marino, and Paul D. Lett, Opt. Express 20, 17050 – 17058 (2012).
[6] V. Boyer et al., Science 321, 544 (2008).
[7] Mohammadjavad Dowran, Ashok Kumar, Benjamin J. Lawrie, Raphael C. Pooser, and Alberto M. Marino, Optica 5, 628-633 (2018)
[8] Vito Giovanni Lucivero et al., Phys. Rev. A 93, 053802 (2016)
[9] A. Montaña Guerrero, P. Nussenzveig, M. Martinelli, A. M. Marino, and H. M. Florez, Phys. Rev. Lett. 125, 083601 (2020).
[10] C. F. McCormick, V. Boyer, E. Arimondo, and P. D. Lett, Opt. Lett. 32, 178 (2007)
[11] A. Montaña Guerrero, R.L. Rincon Celis, P. Nussenzveig, M. Martinelli, A.M. Marino, and H. M.Florez, Phys. Rev. Lett. 129, 163601 (2022).