Long-lived quantum memory with nuclear atomic spins

We propose to store non-classical states of light into the macroscopic collective nuclear spin ($10^{18}$ atoms) of a $^3$He vapor, using metastability exchange collisions. These collisions, commonly used to transfer orientation from the metastable state $2^{3}S\_1$ to the ground state state of $^3$He, can also transfer quantum correlations. This gives a possible experimental scheme to map a squeezed vacuum field state onto a nuclear spin state with very long storage times (hours).Comment: 4 page

Dual channel self-oscillating optical magnetometer

We report on a two-channel magnetometer based on nonlinear magneto-optical rotation in a Cs glass cell with buffer gas. The Cs atoms are optically pumped and probed by free running diode lasers tuned to the D$_2$ line. A wide frequency modulation of the pump laser is used to produce both synchronous Zeeman optical pumping and hyperfine repumping. The magnetometer works in an unshielded environment and spurious signal from distant magnetic sources is rejected by means of differential measurement. In this regime the magnetometer simultaneously gives the magnetic field modulus and the field difference. Rejection of the common-mode noise allows for high-resolution magnetometry with a sensitivity of \pthz{2}. This sensitivity, in conjunction with long-term stability and a large bandwidth, makes possible to detect water proton magnetization and its free induction decay in a measurement volume of 5 cm$^3$Comment: 13 pages, 9 figures. Improved version (v2). Accepted for publicatio

Optical Magnetometry

Some of the most sensitive methods of measuring magnetic fields utilize interactions of resonant light with atomic vapor. Recent developments in this vibrant field are improving magnetometers in many traditional areas such as measurement of geomagnetic anomalies and magnetic fields in space, and are opening the door to new ones, including, dynamical measurements of bio-magnetic fields, detection of nuclear magnetic resonance (NMR), magnetic-resonance imaging (MRI), inertial-rotation sensing, magnetic microscopy with cold atoms, and tests of fundamental symmetries of Nature.Comment: 11 pages; 4 figures; submitted to Nature Physic

Resonant nonlinear magneto-optical effects in atoms

In this article, we review the history, current status, physical mechanisms, experimental methods, and applications of nonlinear magneto-optical effects in atomic vapors. We begin by describing the pioneering work of Macaluso and Corbino over a century ago on linear magneto-optical effects (in which the properties of the medium do not depend on the light power) in the vicinity of atomic resonances, and contrast these effects with various nonlinear magneto-optical phenomena that have been studied both theoretically and experimentally since the late 1960s. In recent years, the field of nonlinear magneto-optics has experienced a revival of interest that has led to a number of developments, including the observation of ultra-narrow (1-Hz) magneto-optical resonances, applications in sensitive magnetometry, nonlinear magneto-optical tomography, and the possibility of a search for parity- and time-reversal-invariance violation in atoms.Comment: 51 pages, 23 figures, to appear in Rev. Mod. Phys. in Oct. 2002, Figure added, typos corrected, text edited for clarit

Dynamics of a small system coupled to a reservoir : reservoir fluctuations and self-reaction

The physical processes responsible for the evolution of a small system S weakly coupled to a large reservoir R are analysed through the coupled Heisenberg equations of the problem. The respective contributions of reservoir fluctuations (R fluctuates and polarizes S) and self-reaction (S fluctuates and polarizes R which reacts back on S) are identified with a general method developed in a previous paper dealing with radiative processes (contributions of vacuum fluctuations and radiation reaction). The Hamiltonian and non Hamiltonian parts of the evolution of S are made explicit and related to correlation functions and polarizabilities of S and R. The limit where S is a quasi-classical system is investigated, and the evolution of the energy distribution function of S is shown to be described by a Fokker-Planck equation, the drift and diffusion terms of which are respectively associated with self-reaction and reservoir fluctuations. These results are finally applied to the problem of the spontaneous emission of a large angular momentum (Dicke's model of superradiance).Les processus physiques responsables de l'évolution d'un petit système S faiblement couplé à un grand réservoir R sont analysés à partir des équations de Heisenberg. Les contributions respectives des fluctuations du réservoir (R fluctue et polarise S) et de la self-réaction (S fluctue et polarise R qui réagit en retour sur S) sont identifiées en suivant une méthode générale exposée dans un précédent article à propos de l'étude des processus radiatifs (contributions des fluctuations du vide et de la réaction de rayonnement). Les parties hamiltonienne et non hamiltonienne de l'évolution de S sont explicitées et reliées aux fonctions de corrélation et polarisabilités de S et R. La limite où S est un système quasi-classique est étudiée. On démontre que l'évolution de la fonction de distribution de l'énergie de S est décrite par une équation de Fokker-Planck dont les termes de dérive et de diffusion sont respectivement associés à la self-réaction et aux fluctuations du réservoir. Ces résultats généraux sont enfin appliqués au problème de l'émission spontanée d'un grand moment cinétique (modèle de Dicke pour la superradiance)

Vacuum fluctuations and radiation reaction : identification of their respective contributions

It is generally considered that there exists in quantum radiation theory an indetermination in the separation of the respective effects of vacuum fluctuations and radiation reaction. We show in this paper that such an indetermination can be removed by imposing to the corresponding rates of variation to be Hermitian (this is necessary if we want them to have a physical meaning). Such a procedure is generalized to the case of a small system S interacting with a large reservoir R and allows the separation of two types of physical processes, those where R fluctuates and polarizes S (effects of reservoir fluctuations), those where it is S which polarizes R (effects of self reaction). We apply this procedure to an atomic electron interacting with the radiation field and we then identify the contribution of vacuum fluctuations and self reaction to radiative corrections and spontaneous emission of radiation. The analysis of the results obtained in this way allows us to specify the physical pictures which must be associated with the various radiative processes.Il semble généralement admis qu'il existe, en théorie quantique du rayonnement, une indétermination dans la séparation des effets respectifs des fluctuations du vide et de la réaction de rayonnement. Nous montrons ici que cette indétermination est levée si l'on impose aux vitesses de variation correspondantes d'être hermitiques (condition nécessaire pour qu'elles soient interprétables physiquement). Cette procédure est généralisée au cas d'un petit système S interagissant avec un grand réservoir R, et permet de séparer deux types de processus physiques, ceux où R fluctue et polarise S (effets des fluctuations du réservoir), ceux où c'est S qui polarise R (effets de la réaction de R sur S). Nous appliquons cette procédure au cas d'un électron atomique interagissant avec le champ de rayonnement et identifions ainsi les contributions des fluctuations du vide et de la réaction de rayonnement aux corrections radiatives et à l'émission spontanée. L'analyse des résultats obtenus nous permet de préciser les images physiques qui doivent être associées aux divers processus radiatifs

Diverses résonances de croisement de niveaux sur des atomes pompés optiquement en champ nul II. Applications à la mesure de champs faibles

Communication au Colloque International sur les Champs Magnétiques Faibles d'Intérêt Géophysique et Spatial, Paris 20-23 Mai 1969On décrit la réalisation et les performances d'un magnétomètre utilisant les résonances de croisement de niveaux étudiées dans la communication précédente et observées sur une vapeur de 87Rb pompée optiquement. La très grande finesse des résonances (de l'ordre de 1 μG) permet la détection de champs très faibles, de l'ordre de 10-9 à 10-10 G avec une constante de temps de 3 s à la détection. On décrit également une expérience de détection à l'aide de ce magnétomètre du champ magnétique statique créé par des noyaux de 3He orientés en phase gazeuse

Exemples de croisements de deuxième espèce dans le diagramme d'énergie d'un atome habillé par des photons de radiofréquence

The results obtained in the preceding article concerning the existence of various types of level crossings are illustrated on the energy diagrams of atoms dressed by RF photons of various polarizations. By studying the symmetries of the total system atom + RF field, one determines all the crossings of the first kind and some crossings of the second kind (related to point symmetries). Using a quantum formulation of Majorana's theorem, one identifies all the other crossings with crossings of the second kind of all orders (« Majorana's crossings »). Finally, an experimental study of the properties of a resonance observable near a Majorana's crossing is presented.Les résultats obtenus dans le précédent article, concernant l'existence de plusieurs types de croisements de niveaux, sont illustrés sur les diagrammes d'énergie d'atomes habillés par des photons de radiofréquence, de polarisations diverses. Une étude détaillée des symétries du système global atome + radiofréquence permet de classer simplement tous les croisements de première espèce et certains croisements de deuxième espèce (liés à des symétries ponctuelles). A partir d'une formulation quantique du théorème de Majorana, on identifie les autres croisements comme étant des croisements de deuxième espèce de tous ordres (croisements de Majorana). On présente enfin une étude expérimentale des propriétés d'une résonance observable au voisinage d'un croisement de Majorana

Un croisement de niveaux singulier : l'anticroisement empêché ou croisement de deuxième espèce

It is shown that 2 types of level crossings may be found in an energy diagram : crossings of the first kind between 2 levels of different symmetries, crossings of the second kind between 2 levels of the same symmetry or having no definite symmetry. These 2 types of crossings may be distinguished by simple physical properties : characteristics of the corresponding level crossing resonances, non-adiabatic transitions from one level to the other resulting from a sufficiently fast passage. It is finally shown that the existence of crossings of the second kind is not in contradiction with the Wigner-Von Neumann theorem.On montre que deux types de croisements de niveaux peuvent apparaître dans un diagramme d'énergie : les croisements de première espèce entre niveaux de symétries différentes, les croisements de deuxième espèce (ou anticroisements empêchés) entre niveaux de même symétrie ou n'ayant pas une symétrie bien définie. Des propriétés physiques simples permettent de différencier ces deux types de croisements : caractéristiques des résonances observables au voisinage du croisement, transitions non adiabatiques d'un niveau à l'autre lors d'un balayage suffisamment rapide. On montre enfin que l'existence de croisements de deuxième espèce n'est pas en contradiction avec le théorème de Wigner-Von Neumann

Diverses résonances de croisement de niveaux sur des atomes pompés optiquement en champ nul. I. Théorie

The light absorbed by an atomic vapour in a transverse optical pumping experiment exhibits resonant variations when the static magnetic field is swept around the zero field value corresponding to the crossing of the ground state Zeeman sublevels (Hanle effect). Resonances of the same kind also appear when the transverse pumping is done in an amplitude modulated magnetic field (parametric resonances). These resonances are extremely narrow when observed on alkali vapors and therefore they are of great interest for the detection and measurement of very weak magnetic fields. The characteristics of the two types of resonances are discussed and the advantages of the parametric resonances are emphasized.La lumière absorbée par une vapeur atomique soumise à un pompage optique transversal varie de manière résonnante lorsqu'on balaie le champ magnétique statique au voisinage du point de croisement en champ nul des sous-niveaux Zeeman de l'état fondamental (effet Hanle). Des résonances analogues apparaissent lorsqu'on effectue le pompage optique transversal de la vapeur atomique dans un champ modulé en amplitude (résonances paramétriques). La très grande finesse des raies ainsi observées sur les atomes alcalins les rend très intéressantes pour la détection et la mesure des champs magnétiques très faibles. On discute les propriétés de ces deux types de résonances et on met en évidence les avantages qu'il y a à utiliser les résonances paramétriques