Nanofibras ópticas para sistemas híbridos de información cuántica

Transcripción

1 Nanofibras ópticas para sistemas híbridos de información cuántica Coloquio del Instituto de Física y del OSA-UNAM Student Chapter 23 de Mayo del 2012 Luis A. Orozco Agradezco a la Optical Society of America el Fellow Travel Grant y a la UNAM.

2 Estudiantes de Postgrado: J. A. Grover, J. E. Hoffman S. Ravets, K. Voigt, Estudiantes de Postdoctorado: M. Hafezi Z. Kim, J. Lee, Estudiantes de Pregrado: U. Chukwu, I. D. Schoch, A. K. Wood, Profesores e investigadores: J. R. Anderson, F. Fatemi, C. J. Lobb, L. A. Orozco, S. L. Rolston, J. M. Taylor, F. C. Wellstood, University of Maryland, Institute D Optique, National Institute of Standards and Technology, Naval Research Laboratory Trabajo apoyado por la NSF de EEUU mediante el PFC@JQI.

3 Sylvain Jonathan Marzo 2012

4 Motivación Construir un qubit híbrido acoplando átomos neutros a qubits superconductores Aprender a manipular átomos individuales a temperaturas criogénicas (bajo ruido, bajas pérdidas, baja potencia,...) Aprovechar las vertajas de estos dos sistémas tan diferentes, al mismo tiempo que se minimizan sus desventajas.

5 Separación hiperfina del 87 Rb Niveles de energía de un qubit superconductor

6 Atomos en SQuIDs

7 Atomos atrapados usando fibras ópticas con disminución gradual de su diámetro. 500 nm campo evanescente U azul r roja Fibra óptica con sección cónica 3 cm polarizada linealmente luz roja (onda estacionaria) + azul (Colaboración con Arno Rauschenbeutel, Univ. Viena)

8 Ventajas y desventajas ventaja: poca potencia requerida. ventaja: >99% de la luz puede ser confinada muy cerca de la fibra, buen acoplamiento al átomo. ventaja: construible. desventaja: requirere mw, el refrigerador enfría ~100 µw. desventaja: tal vez el 1% de la luz se pierda como calor o como dispersión de la fibra. desventaja: No se ha usado a baja temperatura, sobreviven nitrógeno líquido.

9 Transmisión de ondas electromagnéticas en una guía de ondas metálica En el caso óptico utilizamos fibras de vidrio con un índice de refracción n>1

10 Ley de Snell-Descartes Reflejada Transmitida Incidente n 1 >n 2

11 Ondas Evanescentes: n 1 >n 2 k T = k T sen(θ T ) x ˆ + k T cos(θ T )ˆ z sen(θ T ) = n 1 n 2 sen(θ I ) >1 cos(θ T ) = E T = E 0 e i(k T r -ωt ) E T = E 0 e -κz e i(kx-ωt ) κ = 1 λ/2π 1- sen 2 (θ T ) = i sen 2 (θ T ) 1 n 1 sen(θ I ) ( ) 2 n 2 2, k = n 1 λ/2π sen(θ I )

12 Fibra multimodal con centro y revestimiento 2θ, cono de aceptación centro revestimiento senθ = 2 n centro 2 n revestimiento V Fibras uni-modales la diferencia del índice de refracción del centro y del revestimiento es muy pequeña (0.01 a 0.001)

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15 Fibra cónica reducida para producir una onda evanescente La reducción debe ser adiabática para evitar pérdidas de luz

16 Modo fundamental de la fibra con diámetro del orden de la longitud de onda Tiene componenetes en las tres direcciones

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18 760nm HE 11 mode 1064nm HE 11 mode 760nm 1064nm vdw(---) a=250nm

19 Fibra con centro y recubrimiento. n fibra HE11 centro n centro n recubrimiento n eff = β k 0 EH11 recubrimiento HE11 recubrimiento aire Diámetro (λ) Modelo de dos capas: centro con recubrimiento infinito. Válido para radios grandes o pequeños.

20 n eff = β k 0 Fibra con centro, recubrimiento y aire. n fibra n centro n recubrimiento HE11 3-capas n aire EH11 3-capas Las curvas centro-recubrimiento y recubrimiento-aire se aproximan en d~40µm Diámetro (µm) El tamaño del centro cuando el recubrimiento es de d~40µm esde unos 780nm

21 Dispersión

22 Consideraciones para el tirado de fibras Utilizar una llama extremadamente limpia. Oxígeno e hidrógeno en razón estequiométrica. Llama en régimen de flujo laminar. Cuarto limpio, (filtros HEPA). Limpieza de los recubrimientos cuidadosa utilizando solamente acetona ultrapura. Una partícula de polvo acaba con la transmisión de la fibra. Control nanométrico de la posición de los motores. Fibra utilizada sin protector con diámetro original de 125 µm

23 Nanofibras ópticas 1: fibra sin modificar 2: región cónica 3: cintura de la fibra 0.5 µm 125 µm Onda evanescente afuera de la fibra para atrapar e interrogar átomos. Estudios de rotación de Faraday, fuerzas de van der Wals Casimir y Polder. Muy alta atenuación óptica >60. Technología: Acoplamiento de fibras, microscopía, biosensores.

24 Fabricación: Conservación de volumen V f/2 V f/2 width of flame Ancho de la llama dr dx = r 2L r(t) = r 0 exp v f t 2L 0

25 Barrido de la llama

26 Vinculación de los conos

27 Cono lineal

28 Abrazaderas de la fibra Sistema para formar imágenes Llama Motores Micrómetros para alineación

29 Fibra multiángulos en el cono 20 µm 5 mm

30 Imagen con microscopía electrónica de barrido

31 Proceso de tensado y alineación Mover motores 600 µm hasta que la fibra resbala de las abrazaderas creando una tensión uniforme. Disminuir la tensión en pasos de 20 µm hasta que la fibra pierde la tensión y se relaja (depende de la manofactura de la fibra). Superponer las imánges hasta que el ángulo desaparece.

32 Imagen de la fibra cerca de la abrazadera derecha 125 µm

33 Imagen de la fibra cerca de la abrazadera izquierda 125 µm Transladando los motores ~4 cm

34 Criterio de adiabaticidad Dos longitudes naturales: longitudes de batido entre el modo fundamental y el modo excitado, z b, y la altura del cono, h.

35 Criterio adiabático r h z h = r dr dz La longitud natural de la fibra es la altura del cono, h, creado por la geometría.

36 Criterio adiabático n eff = β k 0 z b z b = 2π β 1 β 2 Longitudes naturales: longitud de batido entre los modos fundamentales y el primer modo excitado, z b. Diámetro (µm)

37 r h Criterio adiabático z h = r dr dz dr dz r β 1 β 2 2π z b = ( ) 2π β 1 β 2 Relación entre las dos longitudes naturales, z b, y, h. Para evitar la excitación de los modos superiores, z b >h

38 Límite adiabático radio (µm) Distancia a lo largo del eje de la fibra (µm)

39 Medición de la transmisión

40 Transmisión Transmisión normalizada Transmisión de 99.8% Tiempo (s) Radio = 250 nm, L w = 7 mm, Omega = 2 mrad

41 Transmisión normalizada Transmisión vs radio

42 Transmisión normalizada Detalle Transmisión

43 Excitación de modos superiores Transmisión normalizada Angulo inical de 2 mrad hasta llegar a 25µm; cambio a 0.75 mrad para observar el batido de modos. Tiempo (s)

44 Detalle del batido Transmisión normalizada Tiempo (s)

45 Espectrograma Frecuencia (Hz) Tiempo (s)

46 Esprectrograma de baja frecuencia Frecuencia (Hz) Tiempo (s)

47 Atomos en SQuIDs

48 Trabajo por hacer con las fibras Mas estudios con espectrogamas Entender el batido a r~ 20 µm Mejorar la transmisión (99.7%) Entender la superficie (microscopio de iones de helio) Análisis de la trasmisión con teoría de modos acoplados Simulaciones con Fimmprop Análisis de las pérdidad por dispersión de Rayleigh Comparar fibras de diferentes fabricantes Estudiar otros modos

49 Conclusiones Hemos avanzado en la construcción de nanofibras Las fibras operan bien con 20 mw Pasar a pruebas con átomos Pruebas criogénicas

50 Gracias