الشبكة البصرية

📅 آخر تحديث: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 13 صور
الموسوعة الحرة

الذرات (الممثلة بالكرات الزرقاء) مصورة في جهد شبكي بصري ثنائي الأبعاد (ممثل بالسطح الأصفر).

تتشكل الشبكة البصرية نتيجة تداخل حزم الليزر المتعاكسة في الاتجاه ، مما يُنشئ نمطًا دوريًا مكانيًا للكثافة. قد يؤدي الجهد الدوري الناتج إلى احتجاز الذرات المتعادلة عبر إزاحة ستارك . [ 1 ] تبرد الذرات وتتجمع عند أقصى قيم الجهد (عند القيم العظمى للشبكات ذات الانحراف الأحمر، والقيم الصغرى للشبكات ذات الانحراف الأزرق). يشبه الترتيب الناتج للذرات المحتجزة شبكة بلورية [ 2 ] ويمكن استخدامه في المحاكاة الكمومية .

قد تتحرك الذرات المحصورة في الشبكة البصرية بفعل النفق الكمومي ، حتى لو تجاوز عمق بئر الجهد لنقاط الشبكة الطاقة الحركية للذرات، وهو ما يشبه حركة الإلكترونات في موصل . [ 3 ] مع ذلك، قد يحدث انتقال من حالة الميوعة الفائقة إلى حالة عازل موت [ 4 ] ، إذا تجاوزت طاقة التفاعل بين الذرات طاقة القفز عندما يكون عمق البئر كبيرًا جدًا. في طور عازل موت، تُحصر الذرات في الحد الأدنى للجهد ولا تستطيع الحركة بحرية، وهو ما يشبه حركة الإلكترونات في عازل . في حالة الذرات الفرميونية، إذا زاد عمق البئر أكثر، يُتوقع أن تُشكّل الذرات حالة مضادة للمغناطيسية ، أي حالة نيل، عند درجات حرارة منخفضة بما فيه الكفاية. [ 5 ]

تاريخ

تم اقتراح فكرة حصر الذرات في موجات ضوئية ثابتة لأول مرة من قبل في إس ليتوخوف في عام 1968. [ 6 ]

حدود

هناك معياران مهمان للشبكة البصرية: عمق بئر الجهد والدورية .

التحكم في العمق المحتمل

يرتبط الجهد الكهربائي الذي تتعرض له الذرات بشدة الليزر المستخدم لتوليد الشبكة البصرية. ويمكن ضبط عمق الجهد الكهربائي لهذه الشبكة في الوقت الفعلي بتغيير قدرة الليزر، والتي تُتحكم عادةً بواسطة مُعدِّل صوتي-بصري (AOM). يُضبط المُعدِّل الصوتي-البصري لتوجيه كمية متغيرة من قدرة الليزر إلى الشبكة البصرية. ويمكن تحقيق استقرار القدرة الفعال لليزر الشبكة عن طريق تغذية إشارة ضوئية من الصمام الثنائي إلى المُعدِّل الصوتي-البصري.

التحكم في الدورية

يمكن ضبط دورية الشبكة البصرية بتغيير طول موجة الليزر أو بتغيير الزاوية النسبية بين شعاعي الليزر. ولا يزال التحكم في دورية الشبكة في الوقت الحقيقي مهمةً صعبة. إذ يصعب تغيير طول موجة الليزر ضمن نطاق واسع في الوقت الحقيقي، ولذلك تُضبط دورية الشبكة عادةً بالزاوية النسبية بين شعاعي الليزر. [ 7 ] ومع ذلك، يصعب الحفاظ على استقرار الشبكة عند تغيير الزوايا النسبية، لأن التداخل حساس للطور النسبي بين شعاعي الليزر. وتوفر ليزرات التيتانيوم-الياقوت ، بنطاق ضبطها الواسع، منصةً محتملةً للضبط المباشر لطول الموجة في أنظمة الشبكات البصرية.

تم لأول مرة في عام 2005 إثبات التحكم المستمر في دورية شبكة بصرية أحادية البعد مع الحفاظ على الذرات المحصورة في مكانها باستخدام جلفانومتر أحادي المحور يتم التحكم فيه آليًا . [ 8 ] وقد تمكنت هذه "الشبكة الأكورديونية" من تغيير دورية الشبكة من 1.30 إلى 9.3  ميكرومتر. وفي الآونة الأخيرة، تم إثبات طريقة مختلفة للتحكم في دورية الشبكة في الوقت الحقيقي، [ 9 ] حيث تحركت الحافة المركزية أقل من 2.7  ميكرومتر بينما تغيرت دورية الشبكة من 0.96 إلى 11.2  ميكرومتر. ولا يزال الحفاظ على الذرات (أو الجسيمات الأخرى) محصورة أثناء تغيير دورية الشبكة بحاجة إلى مزيد من الاختبارات التجريبية الشاملة. تُعدّ هذه الشبكات الأكورديونية مفيدةً للتحكم في الذرات فائقة البرودة في الشبكات البصرية، حيث يُعدّ التباعد الصغير ضروريًا للنفق الكمومي، بينما يُتيح التباعد الكبير معالجة المواقع الفردية والكشف المكاني. ويُجرى الكشف المكاني عن شغل مواقع الشبكة لكلٍّ من البوزونات والفيرميونات ضمن نظام نفق عالي بانتظام في مجاهر الغاز الكمومي. [ 10 ] [ 11 ]

مبدأ التشغيل

تعتمد آلية الاحتجاز على إزاحة ستارك، حيث يُحدث الضوء غير الرنيني تغييرات في البنية الداخلية للذرة. ويتمثل تأثير إزاحة ستارك في توليد جهد يتناسب مع شدة الضوء. ويؤدي تأثير المجال الضوئي على الذرة إلى حث عزم ثنائي قطب كهربائي نتيجةً لتذبذب المجال الكهربائي . ويتفاعل هذا العزم ثنائي القطب المُستحث مع المجال الكهربائي، مما يؤدي إلى تغير في الطاقة.Δهـ=12α(ω)⟨هـ2(ت)⟩{\displaystyle \Delta E={\frac {1}{2}}\alpha (\omega )\langle E^{2}(t)\rangle }، أينα(ω){\displaystyle \alpha (\omega )}، أينω=ωرهـs+دلتا{\displaystyle \omega =\omega _{res}+\delta }، هي الاستقطابية الديناميكية للانتقال الذري الرنيني عندωرهـs{\displaystyle \omega _{res}}ودلتا{\displaystyle \delta }هو انحراف مجال الضوء عن الرنين. في حالةدلتا<0{\displaystyle \delta <0}في حالة "الانحراف الأحمر"، يكون ثنائي القطب المستحث متوافقًا في الطور مع المجال، وبالتالي فإن تدرج طاقة الوضع الناتج سيشير إلى اتجاه شدة أعلى. هذه هي آلية الحصر نفسها كما في مصائد ثنائيات الأقطاب الضوئية (ODTs)، مع الاختلاف الرئيسي الوحيد وهو أن شدة الشبكة الضوئية لها تباين مكاني أكثر وضوحًا بكثير من مصائد ثنائيات الأقطاب الضوئية القياسية. [ 1 ]

تتكون الشبكة البصرية أحادية البعد من شعاعي ليزر متعاكسين في الاتجاه ولهما نفس الاستقطاب. يتداخل الشعاعان، مما يؤدي إلى سلسلة من القيم الدنيا والقصوى المفصولة بمسافةλ/2{\displaystyle \lambda /2}، أينλ{\displaystyle \lambda }يمثل طول موجة الضوء المستخدم لإنشاء الشبكة البصرية. وسيكون الجهد الناتج الذي تتعرض له الذرات هوV(x)=V0كوس(2πx/λ){\displaystyle V(x)=V_{0}{\text{cos}}(2\pi x/\lambda )}.

باستخدام أشعة ليزر إضافية، يمكن إنشاء شبكات بصرية ثنائية أو ثلاثية الأبعاد. يمكن إنشاء شبكة بصرية ثنائية الأبعاد عن طريق تداخل موجتين بصريتين واقفتين متعامدتين، مما ينتج عنه مصفوفة من أنابيب الجهد أحادية البعد. وبالمثل، يمكن لثلاث موجات بصرية واقفة متعامدة أن تُنتج مصفوفة ثلاثية الأبعاد من المواقع التي يمكن تقريبها على أنها جهود مذبذب توافقي محكمة التقييد. [ 2 ]

التحديات التقنية

يكون جهد الاحتجاز الذي تتعرض له الذرات في مصيدة ثنائية القطب الضوئية ضعيفًا، وعادةً ما يكون أقل من 1 ملي كلفن. لذا، يجب تبريد الذرات بشكل كبير قبل تحميلها في الشبكة الضوئية. تشمل تقنيات التبريد المستخدمة لهذا الغرض المصائد المغناطيسية الضوئية ، وتبريد دوبلر ، وتبريد تدرج الاستقطاب ، وتبريد رامان ، وتبريد النطاق الجانبي المُحلَّل ، والتبريد التبخيري . [ 1 ]

إذا أُضيف الجهد الدوري بعد التكثيف، بدلاً من التبريد التبخيري في جهد الشبكة، فمن الضروري مراعاة شروط التحميل الأديباتي للشبكة. يجب زيادة شدة الشبكة تدريجيًا بحيث يبقى المكثف في حالته الأرضية لتحميله في نطاق الطاقة الأرضي للشبكة. ويُحدد النطاق الزمني للتشغيل عمومًا بفارق الطاقة بين نطاق الطاقة الأرضي وأول نطاق مُثار. [ 2 ]

بمجرد تحميل الذرات الباردة في الشبكة البصرية، ستتعرض للتسخين عبر آليات مختلفة، مثل التشتت التلقائي للفوتونات من ليزرات الشبكة البصرية. وتحد هذه الآليات عمومًا من عمر تجارب الشبكة البصرية. [ 1 ]

التصوير بتقنية زمن الرحلة

بعد تبريد الذرات وحصرها في شبكة بصرية، يمكن التحكم بها أو تركها لتتطور. تشمل عمليات التحكم الشائعة "رجّ" الشبكة البصرية عن طريق تغيير الطور النسبي بين الحزمتين الضوئيتين المتعاكستين، أو عن طريق تعديل تردد إحدى الحزمتين، أو تعديل سعة الشبكة. بعد تطور الذرات استجابةً لجهد الشبكة وأي عمليات تحكم، يمكن تصويرها باستخدام التصوير الامتصاصي.

إحدى تقنيات الرصد الشائعة هي تصوير زمن الطيران (TOF). يعمل تصوير زمن الطيران عن طريق الانتظار لفترة زمنية محددة حتى تتطور الذرات في جهد الشبكة، ثم إيقاف جهد الشبكة. تنتشر الذرات، بعد أن أصبحت حرة، بمعدلات مختلفة وفقًا لزخمها. من خلال التحكم في مقدار الوقت المسموح به لتطور الذرات، تُطابق المسافة التي تقطعها الذرات حالة زخمها عند إيقاف جهد الشبكة. ولأن الذرات في الشبكة لا يمكنها تغيير زخمها إلا عن طريق±2ℏك{\displaystyle \pm 2\hbar k}يُعدّ نمطًا مميزًا في صورة زمن الطيران لنظام الشبكة البصرية سلسلة من القمم على طول محور الشبكة عند الزخم±2نℏك{\displaystyle \pm 2n\hbar k}، أينن∈Z{\displaystyle n\in \mathbb {Z} }باستخدام التصوير بتقنية زمن الطيران (TOF)، يمكن تحديد توزيع زخم الذرات في الشبكة البلورية. وبالاقتران مع صور الامتصاص الموضعية (التي يتم التقاطها مع بقاء الشبكة البلورية قيد التشغيل)، يكفي هذا لتحديد كثافة فضاء الطور للذرات المحصورة، وهو مقياس مهم لتشخيص تكاثف بوز-أينشتاين (أو بشكل أعم، تكوين أطوار المادة المتدهورة كميًا).

الاستخدامات

المحاكاة الكمومية

تُوفّر الذرات في الشبكة البصرية نظامًا كميًا مثاليًا حيث يمكن التحكم بجميع المعايير بدقة عالية، وحيث يُمكن تحقيق نماذج مبسطة لفيزياء المادة المكثفة تجريبيًا. ولأن الذرات يُمكن تصويرها مباشرةً - وهو أمر يصعب تحقيقه مع الإلكترونات في المواد الصلبة - يُمكن استخدامها لدراسة التأثيرات التي يصعب رصدها في البلورات الحقيقية. بل إن تقنيات مجهر الغاز الكمي المُطبقة على أنظمة الشبكة البصرية للذرات المحصورة تُتيح دقة تصوير أحادية الموقع لتطورها. [ 10 ]

من خلال تداخل أعداد مختلفة من الحزم الضوئية في أشكال هندسية متنوعة، يمكن إنشاء أشكال هندسية شبكية مختلفة. تتراوح هذه الأشكال من أبسط الحالات، وهي عبارة عن حزمتين ضوئيتين متعاكستين في الاتجاه تُشكلان شبكة أحادية البعد، إلى أشكال هندسية أكثر تعقيدًا مثل الشبكات السداسية. يتيح تنوع الأشكال الهندسية التي يمكن إنتاجها في أنظمة الشبكات البصرية تحقيقًا فيزيائيًا لهاملتونيانات مختلفة، مثل نموذج بوز-هوبارد [ 4 ] ، وشبكة كاغومي ونموذج ساتشيف-يي-كيتايف [ 12 ] ، ونموذج أوبري-أندريه . من خلال دراسة تطور الذرات تحت تأثير هذه الهاملتونيانات، والتي يمكن ربطها بهاملتونيانات تصف ديناميكيات الإلكترونات في نماذج شبكية مختلفة، يمكن اكتساب فهم أعمق لحلول الهاملتونيان. يُعد هذا الأمر بالغ الأهمية بالنسبة للهاملتونيانات المعقدة التي يصعب حلها باستخدام التقنيات النظرية أو العددية، مثل تلك الخاصة بالأنظمة ذات الارتباطات القوية.

الساعات البصرية

تستخدم أفضل الساعات الذرية في العالم ذرات محصورة في شبكات بصرية، للحصول على خطوط طيفية ضيقة لا تتأثر بتأثير دوبلر والارتداد . [ 13 ] [ 14 ]

المعلومات الكمومية

كما أنها مرشحة واعدة لمعالجة المعلومات الكمومية . [ 15 ] [ 16 ]

قياس التداخل الذري

يمكن استخدام الشبكات البصرية المهتزة - حيث يتم تعديل طور الشبكة، مما يؤدي إلى مسح نمط الشبكة ذهابًا وإيابًا - للتحكم في حالة زخم الذرات المحصورة في الشبكة. يُمارس هذا التحكم لتقسيم الذرات إلى مجموعات ذات زخم مختلف، ونشرها لتجميع فروق الطور بين المجموعات، وإعادة تجميعها لإنتاج نمط تداخل. [ 17 ]

استخدامات أخرى

إلى جانب احتجاز الذرات الباردة، تُستخدم الشبكات البصرية على نطاق واسع في إنشاء المحززات والبلورات الضوئية . كما أنها مفيدة في فرز الجسيمات المجهرية، [ 18 ] وقد تكون مفيدة في تجميع مصفوفات الخلايا .

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 غريم، رودولف؛ فايدمولر، ماتياس؛ أوفشينيكوف، يوري ب. (2000)، "مصائد ثنائية القطب الضوئية للذرات المتعادلة"، التقدم في الفيزياء الذرية والجزيئية والبصرية ، المجلد  42، إلسيفير، الصفحات 95-170 ، arXiv : physics/9902072 ، Bibcode : 2000AAMOP..42...95G ، doi : 10.1016/s1049-250x(08)60186-x ، ISBN  978-0-12-003842-8، S2CID 16499267 
  2. 1 2 3 بلوخ، إيمانويل (أكتوبر 2005). "الغازات الكمومية فائقة البرودة في الشبكات البصرية". مجلة نيتشر فيزيكس . 1 (1): 23-30 . Bibcode : 2005NatPh...1...23B . doi : 10.1038/nphys138 . S2CID 28043590 . 
  3. ^ جيبهارد ، فلوريان (1997). نماذج وطرق انتقال العازل المعدني من شركة موت . برلين [إلخ]: سبرينغر. رقم ISBN 978-3-540-61481-4.
  4. 1 2 غرينر، ماركوس؛ ماندل، أولاف. اسلينجر، تيلمان. هانش، تيودور دبليو؛ بلوخ ، عمانوئيل (3 يناير 2002). “انتقال المرحلة الكمومية من سائل فائق إلى عازل موت في غاز من ذرات فائقة البرودة”. طبيعة . 415 (6867): 39– 44. أرخايف : 2506.21303 . بيب كود : 2002Natur.415...39G . دوى : 10.1038/415039 أ. بميد 11780110 . S2CID 4411344 .  
  5. ↑ كوتسير، أرنو؛ دوين، آر إيه؛ بلوخ، إيمانويل؛ ستوف، إتش تي سي (2008). "تحقيق حالة نيل في شبكة بصرية". مجلة الفيزياء أ . 77 (2) 023623. arXiv : 0711.3425 . Bibcode : 2008PhRvA..77b3623K . doi : 10.1103/PhysRevA.77.023623 . S2CID 118519083 . 
  6. ↑ ليتوخوف، ف. س. (مايو 1968). "تضييق عرض دوبلر في الموجة المستقرة" (ملف PDF) . مجلة الفيزياء التجريبية والنظرية . 7 : 272. رمز Bibcode : 1968JETPL...7..272L .
  7. ↑ فالاني، ليوناردو؛ فورت، كيارا؛ لاي، جيسيكا؛ إنجوسيو، ماسيمو (مايو 2005). "مكثف بوز-أينشتاين في شبكة بصرية ذات تباعد قابل للتعديل: خصائص النقل والخصائص الساكنة". أوبتكس إكسبرس . 13 (11): 4303-4313 . arXiv : cond-mat/0505029 . Bibcode : 2005OExpr..13.4303F . doi : 10.1364/OPEX.13.004303 . PMID: 19495345. S2CID : 27181534 .  
  8. ↑ هوكانز، جيه إتش (ديسمبر 2006). "الشبكات البصرية والروبيديوم-87 المتدهور كميًا في الأبعاد المختزلة". أطروحة دكتوراه من جامعة ميريلاند .
  9. ↑ لي، تي سي؛ كيلكار، إتش؛ ميديلين، دي؛ رايزن، إم جي (3 أبريل 2008). " التحكم في الوقت الحقيقي بدورية الموجة المستقرة: أكورديون بصري". أوبتكس إكسبرس . 16 (8): 5465-5470 . arXiv : 0803.2733 . Bibcode : 2008OExpr..16.5465L . doi : 10.1364/OE.16.005465 . PMID 18542649. S2CID 11082498 .  
  10. 1 2 بكر، وسيم س.؛ جيلين، جوناثان إ.؛ بينغ، إيمي؛ فولينغ، سيمون؛ غرينر، ماركوس (2009-11-05). "مجهر غاز كمي للكشف عن الذرات المفردة في شبكة بصرية من نوع هوبارد". مجلة نيتشر . 462 (7269): 74-77 . arXiv : 0908.0174 . Bibcode : 2009Natur.462...74B . doi : 10.1038 / nature08482 . ISSN 0028-0836 . PMID 19890326. S2CID 4419426 .   
  11. ↑ هالر، إلمار؛ هدسون، جيمس؛ كيلي، أندرو؛ كوتا، ديلان أ.؛ بيوديسيرف، برونو؛ بروس، غراهام د.؛ كوهور، ستيفان (2015-09-01). "التصوير الذري المفرد للفيرميونات في مجهر الغاز الكمومي". مجلة نيتشر فيزيكس . 11 (9): 738-742 . arXiv : 1503.02005 . Bibcode : 2015NatPh..11..738H . doi : 10.1038/nphys3403 . hdl : 10023/8011 . ISSN 1745-2473 . S2CID 51991496 .  
  12. ↑ وي، تشينان؛ سيدراكيان، تيغران (29 يناير 2021). "منصة الشبكة البصرية لنموذج ساشديف-يي-كيتايف". مجلة الفيزياء أ . 103 (1) 013323. arXiv : 2005.07640 . Bibcode : 2021PhRvA.103a3323W . doi : 10.1103/PhysRevA.103.013323 . S2CID 234363891 . 
  13. ↑ ديريفيانكو، أندريه؛ كاتوري، هيديتوشي (3 مايو 2011). "ندوة: فيزياء الساعات الشبكية البصرية". مراجعات الفيزياء الحديثة . 83 (2): 331-347 . arXiv : 1011.4622 . Bibcode : 2011RvMP...83..331D . doi : 10.1103/RevModPhys.83.331 . S2CID 29455812 . 
  14. ↑ "Ye lab" . Ye lab .
  15. ↑ برينين، جافين ك.؛ كيفز، كارلتون؛ جيسن، بول س.؛ دويتش، إيفان هـ. (1999). "بوابات المنطق الكمومي في الشبكات البصرية". مجلة Physical Review Letters، 82 ( 5 ) : 1060-1063 . arXiv : quant-ph/9806021 . Bibcode : 1999PhRvL..82.1060B . doi : 10.1103/PhysRevLett.82.1060 . S2CID 15297433 . 
  16. ^ يانغ ، بنج. صن، هوي؛ هوناج، تشون جيونج؛ وانغ، هان يي؛ دينغ، يوجين؛ داي، هان نينغ؛ يوان، تشن شنغ؛ بان ، جيان وي (2020). “تبريد وتشابك الذرات فائقة البرودة في الشبكات الضوئية”. علوم . 369 (6503): 550-553 . أرخايف : 1901.01146 . بيب كود : 2020Sci...369..550Y . دوى : 10.1126/science.aaz6801 . بميد 32554628 . S2CID 219901015 .  
  17. ↑ وايدنر، سي. أ.؛ أندرسون، دانا ز. (27 يونيو 2018). "عرض تجريبي لتداخل الشبكة المهتزة". رسائل المراجعة الفيزيائية . 120 (26) 263201. arXiv : 1801.09277 . Bibcode : 2018PhRvL.120z3201W . doi : 10.1103/PhysRevLett.120.263201 . PMID 30004774. S2CID 51625118 .  
  18. ↑ ماكدونالد، إم بي؛ سبالدينغ، جي سي ؛ دولاكيا، ك. (27 نوفمبر 2003). "الفرز الميكروفلويدي في شبكة بصرية". نيتشر . 426 ( 6965): 421-424 . Bibcode : 2003Natur.426..421M . doi : 10.1038/nature02144 . PMID 14647376. S2CID 4424652 .