Coherencia atómica

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En física , la coherencia atómica es la coherencia inducida entre los niveles de un sistema atómico multinivel y un campo electromagnético.

El estado interno de un átomo se caracteriza por una superposición de estados excitados y sus niveles de energía asociados . En presencia de campos electromagnéticos externos , los niveles de energía del átomo adquieren perturbaciones en los estados excitados que describen el estado interno del átomo. Cuando la fase adquirida es la misma en todo el rango de estados internos, el átomo es coherente. La coherencia atómica se caracteriza por el tiempo durante el cual el estado interno del átomo puede manipularse de manera confiable. ^[1]

La coherencia atómica se puede caracterizar por el tiempo de coherencia . Por ejemplo, el contraste en las franjas de Ramsey se ha utilizado para medir el tiempo de relajación, , en un ion atrapado ^[2] y en átomos neutros. ^[3] De manera similar, el tiempo de coherencia se puede caracterizar midiendo la transferencia de población a lo largo del tiempo de un átomo que experimenta oscilaciones de Rabi. ^[4]${\textstyle T_{2}}$

Un interferómetro atómico crea haces atómicos coherentes, donde la coherencia es con respecto a la fase de la onda de De Broglie del átomo . ^[5]

Si un electrón en un sistema atómico de dos niveles es excitado por una radiación electromagnética coherente de ancho de línea estrecho , como un láser , que está en resonancia con la transición de dos niveles, el electrón experimentará un movimiento de Rabi . Durante el movimiento de Rabi, el electrón oscila entre el estado fundamental y el estado excitado y puede describirse como una rotación continua alrededor de la esfera de Bloch .

En un sistema perfectamente aislado, una partícula que experimenta una oscilación de Rabi entre dos niveles permanecerá en fase. En la práctica, las interacciones entre el sistema y el entorno introducen un desfase en la oscilación de Rabi entre los dos niveles, lo que provoca una " descoherencia ".

Si en lugar de un único sistema de dos niveles se prepara un conjunto de sistemas idénticos de dos niveles (como una cadena de átomos idénticos en una trampa de iones ) y se aborda continuamente con un láser, todos los átomos experimentarán una fluctuación de Rabi coherente. ^{[ cita requerida ]} Todos los sistemas de dos niveles tendrán inicialmente una fase relativa definida y el sistema será coherente.

A medida que los átomos experimentan una emisión espontánea aleatoria , sus oscilaciones de Rabi acumularán una fase relativa aleatoria entre sí y se volverán decoherentes. En experimentos reales, el ruido del campo magnético ambiental y el calentamiento térmico de las colisiones entre átomos causan decoherencia más rápido que la emisión espontánea aleatoria y son las incertidumbres dominantes cuando se hacen funcionar relojes atómicos o computadoras cuánticas de iones atrapados . ^[6] La coherencia atómica también puede aplicarse a sistemas de múltiples niveles que requieren más de un solo láser.

La coherencia atómica es esencial en la investigación de varios efectos, como la transparencia inducida electromagnéticamente (EIT), el láser sin inversión (LWI), el paso adiabático raman estimulado (STIRAP) y la interacción óptica no lineal con eficiencia mejorada.

Los sistemas atómicos que demuestran superradiancia continua exhiben un tiempo de coherencia largo , una propiedad compartida con los láseres. ^[7]

• Interferómetro atómico  : interferómetro que utiliza la naturaleza ondulatoria de los átomos.
• Óptica atómica  : haces de ondas de materia atómica con propiedades ópticas
• Onda de materia  : ondas mecánicas cuánticas que describen la materia
• Ciclo de Rabi  – Fenómeno mecánico cuántico

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