Физики провели магнитометрию с помощью закрученного света с пространственно-изменяющимся (векторным) профилем поляризации и облака холодных атомов. Им удалось извлечь информацию об ориентации магнитного поля из профиля поглощения всего за один акт измерения. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Поляризация света играет очень важную роль в оптике и физике взаимодействия света с веществом. Физики научились полностью контролировать направления колебания вектора электрической напряженности в электромагнитной волне, однако в большинстве случаев предполагается, что поляризация одинакова во всех точках волнового фронта. Но поскольку взаимодействие атомов с излучением очень часто демонстрирует поляризационную чувствительность, интерес представляют световые пучки с пространственно-изменяющимся профилем поляризации. Изготавливаемый таким образом векторный свет помог создать двумерную память, исследовать пространственную анизотропию и реализовать координатно-чувствительную индуцированную прозрачность.
При этом поляризационная чувствительность атомов может быть связана с направлением и величиной магнитного поля, в котором тот находится. Это позволяет использовать отдельные атомы как магнитометры. Традиционно при этом используют когерентную ларморовскую прецессию поляризованных атомных спинов в магнитном поле. Такие устройства уже были использованы для обнаружения магнитных градиентов и для компенсации магнитного фона.
Группа физиков из Великобритании и Венгрии под руководством Сони Франке-Арнольд (Sonja Franke-Arnold) из Университета Глазго реализовала новый подход к оптической магнитометрии, основанный на чувствительности взаимодействия атомов с векторным светом, несущим орбитальный момент, к направлению магнитного поля. Для этого ученые построили модель такого взаимодействия в пределе слабой связи света с атомами. В ее рамках наведенное магнитное поле наделяет атомы различными поглощающими свойствами относительно его угла к оси светового луча. Поглощение дополнительно модулируется по азимутальному углу из-за наличия у света орбитального момента. Векторная природа света дает возможность сделать единственный снимок атомного газа, из профиля поглощения которого можно извлечь информацию о направлении вектора магнитной индукции, выполнив преобразование Фурье. Теория также дает возможность оценить модуль этого вектора по контрасту профиля, однако в работе авторов для этого не хватило чувствительности.
Чтобы реализовать предложенную идею физики, формировали облако 5×107 атомов рубидия в магнитооптической ловушке при температуре 100 микрокельвин. После подготовки ансамбля они выключали ловушку, ждали 3,5 миллисекунды после чего облучали его закрученным векторным светом, создавая его с помощью спирально фазовой оптической системы с различным топологическим зарядом. Три ортогональных набора прямоугольных катушек создавали общее магнитное поле фиксированной амплитуды, равной десятым долям миллитесла, но с переменными углами ориентации шагом 80 миллирадиан каждый. Оно формировало сложный профиль поглощения, который фотографировала цифровая камера.
Результаты измерения показали качественное согласие с теоретическими вычислениями. Отклонение от предсказаний были связаны с наличием паразитной эллиптичности в пучке и неоднородностями магнитного поля. Однако основной источник расхождения заключался в необходимости соблюсти баланс между режимом слабой связи и контрастностью профиля, который определялся мощностью лазера. Физики учли это влияние с помощью более сложной модели, основанной на численном решении оптических уравнений Блоха.
Авторы отмечают, что целью их работы было показать принципиальную возможность описанного метода. Проделанный эксперимент пока не оптимизирован на максимальную точность и в этом контексте уступает аналогам, в которых бóльшие точности в измерении величины поля достигаются за счет минимизации скорости спиновой релаксации. Такую же точность можно получить и с помощью представленной установки, если подавить столкновение между атомами. Физики оценили ее в 50 пикотесла.
Ранее мы уже рассказывали, как поляризацию связали с длиной волны в спектрально-векторном свете, а также запутали поляризацию и орбитальные свойства двух разных фотонов.
Комментарии