Phổ học là lĩnh vực khoa học ra đời từ rất lâu và gắn liền với các mốc quan trọng trong lịch sử phát triển vật lý. Sự phát triển của các phương pháp và các thiết bị đo phổ hiện đại đã từng bước làm sáng tỏ cấu trúc vi mô của nguyên tửphân tử đến cấp độ siêu tinh tế. Thiết kế và xây dựng các hệ thí nghiệm hiện đại để nghiên cứu các cấu trúc phổ phân giải siêu cao và nghiên cứu các tính chất quang nguyên tử là các chủ đề luôn được các nhà khoa học trong nước cũng như trên thế giới quan tâm. Hiện nay, các kỹ thuật phổ phân giải cao như kỹ thuật phổ hấp thụ bão hòa (SAS) 1–4, kỹ thuật phổ kích thích kết hợp 3, 4 và kỹ thuật phổ đánh dấu phân cực 4 được sử dụng để xác định các dịch chuyển siêu tinh tế của nguyên tửphân tử. Qua đó, giúp chúng ta hiểu được cấu trúc nguyên tử với độ chính xác cao, do đó chúng ta có thể dễ dàng thao tác và điều khiển chúng và làm cơ sở cho sự hình thành các lý thuyết mới. Chẳng hạn như sự làm lạnh và bẫy nguyên tử bằng laser 5–9 hay tạo các vật liệu mới có các tính chất đặc biệt như vật liệu trong suốt cảm ứng điện từ (EITElectromagentically Induced Transparency) 10–20. Vật liệu này được hình thành do sự giao thoa lượng tử giữa các biên độ xác suất dịch chuyển của các trạng thái lượng tử bên trong nguyên tử dưới tác dụng đồng thời của các trường laser.
1 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Phổ học lĩnh vực khoa học đời từ lâu gắn liền với mốc quan trọng lịch sử phát triển vật lý Sự phát triển phương pháp thiết bị đo phổ đại bước làm sáng tỏ cấu trúc vi mô nguyên tử/phân tử đến cấp độ siêu tinh tế Thiết kế xây dựng hệ thí nghiệm nghiên cứu cấu trúc phổ phân giải siêu cao nghiên cứu tính chất quang nguyên tử chủ đề nhà khoa học nước giới quan tâm Hiện nay, kỹ thuật phổ phân giải cao kỹ thuật phổ hấp thụ bão hòa (SAS) [1]–[4], kỹ thuật phổ kích thích kết hợp [3], [4] kỹ thuật phổ đánh dấu phân cực [4] sử dụng để xác định dịch chuyển siêu tinh tế nguyên tử/phân tử Qua đó, giúp hiểu cấu trúc nguyên tử với độ xác cao, dễ dàng thao tác điều khiển chúng làm sở cho hình thành lý thuyết Chẳng hạn làm lạnh bẫy nguyên tử laser [5]–[9] hay tạo vật liệu có tính chất đặc biệt vật liệu suốt cảm ứng điện từ (EITElectromagentically Induced Transparency) [10]–[20] Vật liệu hình thành giao thoa lượng tử biên độ xác suất dịch chuyển trạng thái lượng tử bên nguyên tử tác dụng đồng thời trường laser Các tính chất quang tiêu biểu vật liệu EIT gồm: suốt tần số cộng hưởng, phi tuyến Kerr khổng lồ [10], [13], [15], [21]–[26], tốc độ tán sắc cực lớn nên vận tốc nhóm photon cực nhỏ [27]–[32] Đặc biệt, ta điều khiển tính chất nội nói nguyên tử laser bên Với tính chất bật đó, vật liệu EIT kỳ vọng tạo nhiều ứng dụng quan trọng Chẳng hạn, sử dụng vật liệu EIT cho lưu lưu trữ ánh sáng [33]–[38], lưỡng ổn định quang chuyển mạch quang [39]–[43] (phần tử cho xử lý thơng tin quang đại) có độ nhạy cao gấp hng triệu lần so với sử dụng vật liệu phi tuyến Kerr truyền thống Hơn nữa, hệ số phi tuyến Kerr vật liệu EIT điều khiển độ lớn dấu nên điều khiển đặc trưng lưỡng ổn định quang chuyển mạch tồn quang, hay nói cách khác ứng dụng tạo thiết bị chuyển mạch quang chủ động Mơ hình để tạo vật liệu EIT dựa vào liên kết trạng thái siêu tinh tế nguyên tử với hai trường laser (trong có laser đóng vai trị điều khiển), cấu hình EIT hệ nguyên tử ba mức lượng (cấu hình lambda, chữ V bậc thang) Dưới tác dụng chùm laser bơm, môi trường trở nên suốt với chùm laser dò miền tần số (gọi cửa sổ suốt hay cửa sổ EIT) Mặc dù, vật liệu EIT ba mức lượng ứng dụng rộng rãi thiết bị photonic đại [40], [44], vật liệu có miền phổ suốt hẹp nên miền hoạt động thiết bị nằm miền tần số nhỏ Vì vậy, việc tìm giải pháp để tăng số cửa sổ suốt vật liệu EIT nhà khoa học quan tâm Một giải pháp nhiều nhà khoa học đề xuất sử dụng hệ nguyên tử có trạng thái siêu tinh tế gần [26], [43], [45], [46], chẳng hạn nguyên tử kim loại kiềm Khi đó, trường laser liên kết đồng thời nhiều dịch chuyển siêu tính tế gần nên tạo nhiều cửa sổ suốt Bên cạnh hiệu ứng EIT, kỹ thuật phổ phân giải siêu cao giúp dễ dàng quan sát hiệu ứng Macaluso-Corbino (còn gọi hiệu ứng quang- từ) Hiệu ứng phát lần nhà bác học Faraday chiếu ánh sáng qua môi trường rắn mơi trường tinh thể lỏng [47], [48] Sau hai nhà bác học Macaluso-Corbino quan sát hiệu ứng quay mặt phẳng phân cực chùm sáng truyền qua môi trường khí nguyên tử cho thấy phụ thuộc góc quay vào tần số, cường độ chùm laser [49], [50] Gần đây, hiệu ứng quang-từ nhận nhiều quan tâm nghiên cứu [51]–[54] có nhiều ứng dụng hữu ích chẳng hạn điều biến ánh sáng, từ kế siêu nhạy [55]–[57], v.v Ở nước ngoài, gần có số nghiên cứu thực nghiệm hiệu ứng EIT/EIA đa cửa sổ suốt Chẳng hạn, năm 2014 Kang Ying đồng nghiệp quan sát bảy cửa sổ EIT nguyên tử Rubi cấu hình chữ V cho hai chùm laser bơm dò chiều [45] Năm 2015, Dipankar Bhattacharyya đồng nghiệp quan sát năm đỉnh hấp thụ cảm ứng lọc lựa vận tốc (EIA), nguyên tử Rubi cấu hình lambda sáu mức lượng [58] Sau đó, Bo-Xun Wang đồng nghiệp tích hợp thêm giao thoa kế Mach-Zehnder để quan sát chiết suất nhóm mơi trường ngun tử khí Rb [26] Năm 2017, Khairul Islam đồng nghiệp quan sát sáu đỉnh hấp thụ EIA, hệ nguyên tử năm mức chữ V nguyên tử Rb [59] Các kết quan sát thực nghiệm cơng trình phù hợp tốt với mơ hình lý thuyết Tuy nhiên, tín hiệu phổ thu chưa thực rõ nét khảo sát khác chưa khai thác Ở nước, bên cạnh thành công nghiên cứu lý thuyết hiệu ứng EIT ứng dụng liên quan, nhóm nghiên cứu chúng tơi xây dựng thành cơng hệ thí nghiệm quan sát phổ suốt cảm ứng điện từ khí nguyên tử Rb nhiệt độ phòng [23], [60] Ưu điểm hệ thí nghiệm quan sát phổ EIT phổ tán sắc EIT với ba cửa sổ suốt rõ nét (độ suốt đạt gần 100%) Tuy nhiên, hệ thí nghiệm có nhược điểm lắp đặt dàn trải chưa linh động, độ ổn định chưa cao nên số vạch phổ EIT chưa quan sát khó thực thí nghiệm liên quan địi hỏi độ nhạy cao phi tuyến Kerr lưỡng ổn định quang Vì vậy, thiết kế xây dựng hệ thí nghiệm phổ phân giải cao có kích thước nhỏ gọn, tính ổn định cao, giá thành thấp, tích hợp nghiên cứu nhiều tính chất quang nguyên tử ứng dụng liên quan mong muốn nhóm nghiên cứu nước giới Với mong muốn xây dựng hệ thí nghiệm vậy, lựa chọn đề tài “Xây dựng hệ nghiên cứu tính chất quang nguyên tử Rubi” làm luận án tiến sĩ Trong hệ thí nghiệm này, chúng tơi sử dụng mơi trường khí ngun tử Rubi lí sau: Thứ nhất, cấu trúc mức lượng nguyên tử Rubi có tần số dịch chuyển phù hợp với tần số laser diode sử dụng rộng rãi thị trường; Thứ hai, nguyên tử Rubi thuộc nhóm kim loại kiềm có điện tử lớp ngồi nên có cấu trúc mức lượng đơn giản khoảng cách tần số mức lượng tương đối gần Do đó, cần sử dụng chùm laser dễ dàng liên kết nhiều dịch chuyển lân cận; Thứ ba, nguyên tử Rubi dễ dàng chuyển sang thể khí nhiệt độ phịng dễ tạo mẫu Mục tiêu nghiên cứu Thiết kế xây dựng hệ thí nghiệm phổ phân giải cao, có kích thước nhỏ gọn, tính ổn định cao, giá thành thấp, tích hợp nhiều phép đo phổ phân giải siêu cao khác Từ đó, sử dụng hệ thí nghiệm để nghiên cứu tính chất quang mơi trường khí ngun tử Rubi Nội dung nghiên cứu Để đạt mục tiêu đặt ra, nội dung luận án tập trung vấn đề sau: - Tìm hiểu hệ thí nghiệm liên quan nước nước, nắm ưu, nhược điểm hệ thí nghiệm có Từ đó, đề xuất thiết kế xây dựng hệ thí nghiệm đa khảo sát nhiều tính chất quang mơi trường khí ngun tử dựa hiệu ứng EIT - Xây dựng quy trình thực phép đo phổ nguyên tử Rubi - Định hướng phát triển hệ thí nghiệm nghiên cứu ứng dụng liên quan Phương pháp nghiên cứu - Lý thuyết Chúng dựa vào nguyên lý đo phổ phân giải cao như: Phổ hấp thụ tán sắc bão hoà, phổ bơm chọn lọc vận tốc, phổ suốt cảm ứng điện từ, v.v Đồng thời, dựa nguyên lý đo hiệu ứng liên quan chiết suất nhóm, hệ số phi tuyến Kerr, lưỡng ổn định quang, v.v Dựa vào lý thuyết bán cổ điển hình thức luận ma trận mật độ để xây dựng mơ hình lý thuyết mơ kết nghiên cứu - Thực nghiệm + Phát triển hệ thí nghiệm có, xây dựng hệ thí nghiệm thực nhiều phép đo để nghiên cứu tính chất quang mơi trường khí ngun tử Rubi + Từ liệu thu phép đo, sử dụng phần mềm xử lý số liệu để đưa đường thực nghiệm, qua phân tích thay đổi tính chất quang mơi trường theo tham số laser điều khiển Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu phần kết luận, luận án có ba chương trình bày sau: Chương I Các nguyên lý đo phổ phân giải cao Trong chương này, chúng tơi trình bày ngun lý đo phổ phân giải cao để làm sở cho việc xây dựng hệ thí nghiệm nghiên cứu tính chất quang ngun tử Ở đây, chúng tơi trình bày nguyên lý khảo sát số ứng dụng hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ, để định hướng xây dựng hệ thí nghiệm tồn diện khn khổ luận án Chương II Xây dựng hệ thí nghiệm nghiên cứu tính chất quang mơi trường ngun tử Trong chương này, sở số hệ thí nghiệm phổ nguyên tử công bố năm gần đây, thơng qua phân tích ưu nhược điểm hệ thí nghiệm có Chúng tơi xây dựng hệ thí nghiệm đa chức năng, nhỏ gọn, có tính ổn định độ nhạy cao khảo sát tính chất quang Dựa vào thiết bị có phịng thí nghiệm, thiết kế xây dựng hệ thí nghiệm đo phổ nguyên tử bao gồm phổ hấp thụ bão hòa, tán sắc bão hòa, phổ bơm chọn lọc vận tốc, v.v Chương III Nghiên cứu tính chất quang khí nguyên tử Trong chương này, tiến hành thực phép đo phổ nghiên cứu tính chất quang mơi trường dựa hệ thí nghiệm xây dựng Đồng thời, tiến hành khảo sát mơ hình phép đo ứng dụng tính chất quang mơi trường Qua đó, đưa thơng số sơ đồ ngun lý phép đo, thiết bị cần thiết bổ sung để phát triển hệ thí nghiệm xây dựng Chương I CÁC NGUYÊN LÝ ĐO PHỔ PHÂN GIẢI CAO Chúng tơi trình bày ngun lý đo phổ phân giải cao phổ hấp thụ bão hòa tán sắc, phổ bơm chọn lọc vận tốc, phổ suốt cảm ứng điện từ tán sắc, chiết suất nhóm phi tuyến Kerr hiệu ứng liên quan lưỡng ổn định chuyển mạch tồn quang Những nội dung trình bày sở lý thuyết cho việc xây dựng hệ thí nghiệm tích hợp nghiên cứu tính chất quang nguyên tử, thực chương 1.1 Nguyên lý đo phổ hấp thụ bão hòa tán sắc bão hòa Kỹ thuật phổ hấp thụ bão hòa phương pháp loại bỏ mở rộng Doppler chuyển động nhiệt nguyên tử, cách sử dụng hai chùm laser phát liên tục, tách từ nguồn truyền ngược chiều qua buồng mẫu, chùm bơm có cường độ mạnh, chùm dị có cường độ yếu Cả hai chùm laser tần số, nên chúng tương tác đồng thời tất nguyên tử đứng yên so với hai chùm, chuyển động với vận tốc tương ứng với dịch chuyển chéo hai mức siêu tinh tế Do đó, kết quan sát phổ nguyên tử đứng yên nhóm nguyên tử chuyển động với vận tốc ứng với dịch chuyển chéo hai mức lượng thỏa mãn quy tắc lọc lựa Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật phổ hấp thụ bão hòa mơ tả Hình 1.1 Chúng ta hiểu chi tiết kỹ thuật phổ hấp thụ sau Các nguyên tử chuyển động nhiệt hỗn loạn khơng ngừng Do đó, số ngun tử có vận tốc nằm khoảng từ v đến v + dv tuân theo phân bố Boltzmann: Bình Photođiốt Chùm dị Chùm bơm Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật phổ hấp thụ bão hòa dn = n0 m k T B 1/2 m v2 exp dv k T B (1.1) Khi chiếu chùm laser có tần số vào buồng mẫu chứa khí ngun tử Rubi ngun tử khí Rubi hấp thụ chùm laser có tần số tần số cộng hưởng Vì vậy, nguyên tử đứng yên hấp thụ chùm ánh sáng có tần số 0, nguyên tử chuyển động hấp thụ ánh sáng có tần số D với v D = 01 , c (1.2) đây, dấu trừ ứng với trường hợp nguyên tử chuyển động chiều truyền laser, dấu cộng ứng với trường hợp nguyên tử chuyển động ngược chiều truyền chùm laser Vì chùm laser bơm laser dị có tần số, truyền ngược chiều nên chúng tương tác với nhóm ngun tử chuyển động theo phương vng góc với hai chùm laser, dịch chuyển Hơn nữa, laser bơm có cường độ mạnh nhiều so với laser dị, tác dụng chùm bơm, nguyên tử chuyển trạng thái bão hòa Đường phân bố mật độ cư trú nguyên tử tác dụng laser dò tạo lỗ hổng Hình 1.2a, laser bơm tạo lỗ hổng đường phân bố mật độ cư trú Hình 1.2b Do laser bơm có cường độ mạnh laser dị nên độ sâu lỗ hổng laser bơm tạo đường phân bố mật độ cư trú lớn so với chùm laser dị Hình 1.2 Đường phân bố mật độ nguyên tử theo vận tốc kích thích xạ có tần số [4] Khi laser bơm laser dị có tần số trùng với tần số cộng hưởng nguyên tử, chùm bơm làm nguyên tử chuyển lên trạng thái kích thích tạo trạng thái bão hòa tần số cộng hưởng Khi đó, chùm laser dị bị hấp thụ tần số cộng hưởng nên ta quan sát thấy vị trí dịch chuyển cộng hưởng xuất đỉnh phổ Hình 1.3 Đối với nguyên tử chuyển động với vận tốc v, chùm bơm chùm dị tương tác với hai nhóm nguyên tử độc lập, chuyển động ngược chiều Khi đó, chùm bơm chùm dị bị hấp thụ nên tín hiệu thu chùm dị tín hiệu phổ hấp thụ t, xem Hình 1.3b Đối với ngun tử có hai tần số cộng hưởng 1 2 gần nhau, quan sát dịch chuyển bão hịa thơng thường tần số trung tâm 1 2 đường phổ xuất vạch phổ hấp thụ bão hòa chéo tần số = 1 2 / Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý phổ hấp thụ bão hịa: (a) cơng tua phổ hấp thụ chùm dị, (b) cơng tua phân bố mật độ nguyên tử theo vận tốc [4] Để quan sát hệ số tán sắc mơi trường, sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder [61] cách đặt bình mẫu nguyên tử lên nhánh giao thoa kế, nhánh cịn lại giữ ngun Nếu có thay đổi chiết suất mơi trường quang trình chùm tia qua bình mẫu thay đổi Do đó, hệ vân giao thoa giao thoa kế thay đổi theo Sự thay đổi ghi lại đầu thu quang Tuy nhiên, độ rộng vân giao thoa phụ thuộc vào xếp vị trí gương phản xạ tách chùm Tín hiệu thu phụ thuộc vào khoảng vân hệ số hấp thụ mơi trường Chính vậy, để thu đường cong tán sắc (đường biểu diễn thay đổi hệ số tán sắc theo