Light shift averaging in paraffin-coated alkali vapor cells

Light shifts are an important source of noise and systematics in optically pumped magnetometers. We demonstrate that the long spin coherence time in paraffin-coated cells leads to spatial averaging of the light shifts over the entire cell volume. This renders the averaged light shift independent, under certain approximations, of the light-intensity distribution within the sensor cell. These results and the underlying mechanism can be extended to other spatially varying phenomena in anti-relaxation-coated cells with long coherence times.Comment: 6 pages, 4 figure

Limitations of rotating-wave approximation in magnetic resonance : characterization and elimination of the Bloch–Siegert shift in magneto-optics

We present investigations of radio-frequency (RF) resonances observed in an optically pumped rubidium vapor. By measuring the systematic shifts (the Bloch–Siegert shifts) of RF resonances in low magnetic fields, we demonstrate limitations of the rotating-wave approximation in the case of angular momentum $F \geq 1$. The resonance shifts and deformations are characterized in a wide range of parameters and it is shown that the observed behavior is far more complex than in a standard two-level system. It is also demonstrated that the shifts can be controllably turned on or off by switching between the oscillating and rotating magnetic field. Experimental results are supported with numerical calculations, reproducing all features of the observed signals. Besides fundamental aspect of the research, application of rotating magnetic field helps to suppress/evaluate spectroscopic-measurement and precise-metrology systematic errors. The reported study has also important implications for quantum metrology and information processing beyond RWA and standard two-state qubit dynamics

Optical methods of quantum state manipulation

Praca ma na celu prezentację metod manipulacji stanem kwantowym ośrodka atomowego poprzez oddziaływanie ze spójnym światłem laserowym, dostrojonym blisko przejścia rezonansowego tego ośrodka. Rozważane są nieliniowe efekty w parze metali alkalicznych rubidu.Wielkością badaną eksperymentalnie było skręcenie płaszczyzny polaryzacji spolaryzowanego liniowo światła przechodzącego przez ośrodek przy amplitudowej modulacji (Amplitude Modulated Optical Rotation, w skrócie AMOR). Skręcenie płaszczyzny polaryzacji światła jest wynikiem oddziaływania silnej wiązki laserowej z ośrodkiem atomowym w obecności pola magnetycznego. W ośrodku powstają wtedy koherencje- zależności fazowe pomiędzy poziomami energetycznymi w atomach.W niniejszej pracy położono nacisk na obserwację zjawisk związanych z inżynierią stanów kwantowych. W eksperymencie z modulowaną wiązką światła możliwa jest selektywna kreacja koherencji pomiędzy różnymi podpoziomami zeemanowskimi (Δm=2, Δm=4, Δm=6) i analiza parametrów otrzymywanych sygnałów magnetorotacji dla każdej z takich koherencji.W przypadku magnetometrii (pomiaru pól magnetycznych z wykorzystaniem nieliniowego efektu Faradaya) wykorzystywany jest sygnał pochodzący od koherencji Δm=2, wytworzonej w próbce atomowej. Układ eksperymentalny użyty w tej pracy pozwala na wytworzenie dwóch kolejnych parzystych koherencji: Δm=4 oraz Δm=6. Bardzo ważna jest szczegółowa charakterystyka każdego z nich, ponieważ w przyszłości planowana jest dalsza rozbudowa układu eksperymentalnego pod kątem możliwości przesyłania informacji kwantowej.Kolejnym ważnym zagadnieniem poruszanym w pracy jest pomiar zależności amplitudy sygnału magnetorotacji od natężenia wiązki świetlnej kreującej i próbkującej poszczególne momenty polaryzacyjne (pomiar stopnia nieliniowości). Przeprowadzone w ramach niniejszej pracy pomiary nie dały jednoznacznego wyniku. Uzyskane wyniki oraz ich interpretacja mogą okazać się jednak przydatne do zrozumienia i rozwiązania problemu, którego przyczyny leżą być może w sposobie pomiaru, czy w niewystarczającej dokładności aparatury.Podstawowym układem pomiarowym był istniejący już układ eksperymentalny AMOR, w którym zastosowano dwie wiązki laserowe: jedną pełniącą rolę wiązki pompującej, wymuszającej nieliniową odpowiedź ośrodka, drugą próbkującą, która służy jako ,,detektor'' wytworzonej nieliniowości. Do pełnej diagnostyki układu eksperymentalnego dołączono pomiary nieliniowego koherencyjnego efektu Faradaya wytwarzanego w konfiguracji jednowiązkowej (w takim układzie wiązka pełni obydwie, wyżej wymienione funkcje naraz) oraz pomiary zaniku sygnału magnetorotacji po wzbudzeniu impulsem świetlnym, które w każdym przypadku zdają się potwierdzać wnioski wyciągnięte na podstawie odpowiedzi nieliniowego ośrodka badanego w układzie dwuwiązkowym.The thesis presents methods of quantum state manipulation of atomic media by means of coherent laser light, tuned near resonance of this medium. In particular, nonlinear effects in alkali metal vapour (rubidium) are considered.Experimental investigations concerned the measurement of a polarization plane rotation of a linearly polarized light passing through the media, with light amplitude modulation (abbreviated as AMOR- Amplitude Modulated Optical Rotation). The rotation is caused by the interaction of strong laser light with atomic media in a presence of magnetic field. Coherences (phase dependences between energy levels of group of atoms) are created in the atomic vapour then.The major goal of the presented work was to observe phenomena related to quantum state engineering. Particularly, it is possible to selectively create higher order coherences and to analyze the parameters of received magnetorotation signals for the coherences created between different Zeeman sublevels.Generally, the nonlinear Faraday effect is used to measure magnetic field and for such experiment only the lowest coherences are needed (Δm=2 coherences). In contrast, the experimental setup described in the thesis allowed to create another two coherences: for Δm=4 and Δm=6. It is important to study with details the characteristics of each of them, as it is planned to use the coherences as the basic unit of quantum information in the future.Another important feature of the thesis was the measurement of the relation between the magnetooptical rotation signal amplitude and the light power. Though the obtained results are not consistent with the present theory it was possible to draw conclusions that may help to solve the problem in further investigations.The basis of the setup consists of already existing AMOR experiment. Two laser beams were used: the first that creates nonlinear response of the media (the pumping beam), the second that detects created nonlinearity (the probing beam).For the full diagnostics of the system the additional experiments were performed: the measurement of the magnetorotation signal obtained in the single beam AMOR setup (the laser beam works as pumping and probing beam simultaneously) and measurement of the relaxation time of magnetorotation signal in standard, two-beam setup

Towards optical detection of the Bloch-Siegert effect in atomic vapors

We describe our investigations aiming at the detection of the Bloch–Siegert effect (BSE) with nonlinear magneto– optical effects. Although theoretical aspects of the BSE were thoroughly investigated, there are still open questions concerning experimental demonstration of the effect. The most recent BSE experiment was performed in alkali–metal vapor, where atoms were pumped by electron collisions, but the results of those investigations were rather inconclusive. Here we propose to search for the BSE with optically pumped magnetometers (OPMs) and describe the preparation of a dedicated setup providing improved capabilities for observation of the effect in atomic vapor. As the main difficulty is the weakness of the effect and presence of other competing processes, we concentrate on identification and assessment of various systematic effects that may imitate and/or perturb the investigated effect