О возможности использования бозе-эйнштейновского конденсата для фильтрации электромагнитных сигналов оптического диапазона

Abstract

Исследована возможность использования явления сильного замедления света в бозе-эйнштейновском конденсате атомов щелочных металлов для улучшения спектральных характеристик оптических сигналов. Основанием для постановки такой задачи является резонансный характер существенного замедления электромагнитного импульса в изучаемой системе. Иными словами, наиболее сильно замедляется сигнал, частотные характеристики которого близки к интервалам между уровнями энергетического спектра атомов щелочных металлов, находящихся в состоянии бозе-конденсата. Описание явления фильтрации электромагнитного сигнала строится в рамках микроскопической теории отклика газа водородоподобных атомов на внешнее электромагнитное поле слабой интенсивности. Принципиальная возможность фильтрации сигнала показана на примере прохождения электромагнитного импульса с нормальным (гауссовым) распределением спектральной плотности интенсивности через разреженный газ атомов щелочных металлов, находящийся в состоянии бозе-эйнштейновского конденсата. Подробно изучен случай, базирующийся на использовании уровней зеемановского расщепления сверхтонкой структуры атомов натрия во внешнем однородном постоянном магнитном поле и выборе соответствующей заселенности зеемановских подуровней основного состояния этих атомов. Определены условия, в которых при прохождении через конденсат оптического сигнала можно выделять в нем компоненты строго определенных частот с остатками помех незначительной интенсивности. Показано также, что если полученный в результате такой фильтрации сигнал повторно пропустить через бозе-конденсат, уже при другой напряженности подмагничивающего поля, оптический сигнал можно практически полностью очистить от шумов.

Досліджено можливість використання явища сильного уповільнення світла у бозе-ейнштейнівському конденсаті атомів лужних металів для покращення спектральних характеристик оптичних сигналів. Основою для постановки такої задачі є резонансний характер суттєвого уповільнення електромагнітного імпульсу в системі, що вивчається. Іншими словами, найбільш сильно сповільнюється сигнал, частотні характеристики якого близькі до інтервалів між рівнями енергетичного спектру атомів лужних металів, що знаходяться у стані бозе-конденсату. Опис явища фільтрації електромагнітного сигналу будується в рамках мікроскопічної теорії відгуку газу воднеподібних атомів на зовнішнє електромагнітне поле слабкої інтенсивності. Принципову можливість фільтрації сигналу показано на прикладі проходження електромагнітного імпульсу з нормальним (гаусовим) розподілом спектральної густини інтенсивності через розріджений газ атомів лужних металів, що знаходяться у стані бозе-ейнштейнівського конденсату. Детально вивчено випадок, що базується на використанні рівнів зеєманівського розщеплення надтонкої структури атомів натрію у зовнішньому однорідному постійному магнітному полі та виборі відповідної заселеності зеєманівських підрівнів основного стану цих атомів. Визначено умови, в яких при проходженні через конденсат оптичного сигналу можна виділяти в ньому компоненти чітко визначених частот із залишками перешкод незначної інтенсивності. Показано також, що при повторному пропуску отриманого внаслідок такої фільтрації сигналу через бозе-конденсат, уже при іншій напрузі підмагнічуючого поля, оптичний сигнал можна практично повністю очистити від шумів.

A possibility to use the ultraslow-light phenomenon in a Bose–Einstein condensate of alkali-metal atoms for improving the spectral characteristics of optical signals is studied. The main reason for consideration of this problem is a resonant behavior of the slowing of electromagnetic pulses in the system under discussion. In other words, the maximum reduction of the group velocity has a pulse with spectral characteristics that are close to the resonances in the spectrum of alkali-metal atoms. The description of the filtration phenomenon is constructed in the framework of the microscopic theory of response of hydrogenlike atoms gas to weak external electromagnetic field. The possibility to filter optical pulses is illustrated with a signal of normal (Gaussian) spectral distribution that propagates through a dilute gas of alkali-metal atoms in the Bose-condensed state. We study in detail the case that is based on the use of Zeeman splitting of the hyperfine structure of sodium atom levels in external homogeneous static magnetic field and the choice of the corresponding occupation of Zeeman sublevels of the ground state. Conditions are established under which spectral components of well-defined frequencies are distinguished from the initial pulse. The intensity of the transmitted components in the defined frequency range in this case is rather large in comparison with other transmitted components. It is shown that additional filtration of the transmitted pulse through the Bose–Einstein condensate with another value of bias field provides a total noise removal from the initial optical signal.