중성 원자 기반 편집하기 (부분)

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===레이저===
[[File:중성원자 2레벨.png|none|thumb|2-준위 원자와 레이저의 상호작용. g, e는 각각 바닥 상태와 여기 상태, γ, Ω, Δ는 각각 여기 상태의 붕괴속도, 레이저-원자 상호 작용 세기, 레이저-원자 주파수 차이를 의미한다.|222x222px|오른쪽]]흔히 레이저는 가시광 근처의 파장을 이야기하며 이 대역에서 광자의 운동량은 기체상태의 원자에 상당한 운동량 변화를 줄 수 있다. 이를 잘 활용하여, 레이저 냉각, 레이저 포획 등으로 활용할 수 있다. 레이저와 원자의 상호작용은 공명 여부에 따라 크게 두 가지 다른 양상을 보인다. 이는 2-준위 (two-level system)을 이용해 이해할 수 있으며, 이를 확장하면 수 많은 준위가 존재하는 원자와 레이저의 상호작용을 이해할 수 있다.

* '''공명 ( Ω>> γ, Δ)''' 에너지 간격에 맞는 레이저를 가할 경우, 원자는 레이저로부터 광자를 흡수하여 바닥상태에서 여기상태(excited state)로 전이하게 된다. 흡수 과정에서 광자의 운동량이 원자의 운동량에 전달이 되고 이 운동에너지를 되튐 에너지 (recoil energy) 이라고 한다 (거시적인 수준에서는 복사압 (radiation pressure)). 레이저 냉각 등에 핵심적인 역할을 한다.

* '''비 공명 (Ω << γ, Δ)''' 원자의 전이선에서 많이 벗어난 주파수의 레이저를 가할 경우, 원자의 에너지 준위가 레이저에 의해 살짝 바뀌는 것으로 이해할 수 있다. 이를 [[AC 슈타르크 이동 (AC Stark shift)]]이라고 부른다. 레이저를 강하게 집광하면 초점 근처에서만 원자의 에너지 준위가 낮아지며 보존 퍼텐셜(conservative potential)을 형성하여 마치 원자를 (마찰력이 없는) 그릇에 담은 것과 같은 상황이 된다. 광집게, 광격자 등 양자 시뮬레이션의 핵심 원리 이다.[[File:중성원자 three level schematics.png|none|thumb|495px|3-준위 원자와 2개의 레이저의 상호작용. 표기한 조건에서 3-준위 시스템은 근사적으로 2-준위 시스템으로 기술된다. 본 그림과 같이 두 바닥 상태의 에너지 상태가 광학 주파수보다 훨씬 작을 때를 라만 전이라고 한다.]]

==== 3-준위 원자와 이광자 전이 ====
3-레벨 원자와 2가지 레이저의 상호작용은 양자 게이트 구현, 레이저 냉각, 인공 게이지 장 생성 등 양자 시뮬레이션에 중요한 역할을 한다. 두 레이저의 디튜닝(detuning), $$\Delta$$이 레이저의 라비 진동수, $$\Omega_{1, 2}$$ 보다 클 때, 2-준위 시스템 처럼 작동한다. 두 개의 광자가 관여하기 때문에 선택 규칙(selection rule)이 좀 더 자유도가 있으며, 직접적으로 전이하는 경우 (단 광자 공명 전이)에 비해 더 크거나 작은 운동량을 원자에 전달 할 수 있는 장점이 있다. 이광자 전이를 활용하여 레이저 냉각, 리드버그 상태 준비 등을 구현할 수 있다. 유효 라비 진동수, $$\Omega_{eff} = \frac{\Omega_1 \Omega_2}{2\Delta}$$을 살펴보면 단 광자 전이에 비해 강한 레이저 세기가 필요함을 알 수 있다.

==== 레이저 광원의 제어 ====
레이저 기술의 발전은 원자 물리 연구에 아주 중요한 요소이다. 새로운 파장의 레이저, 보다 강한, 레이저, 보다 정밀한 레이저 등의 발명은 이전에는 접근하기 어려웠던 원자의 전이선을 탐구하고, 다른 연구에 응용할 수 있게 해준다. 예를 들면, 수 Hz 수준의 선폭을 가진 레이저를 통해 알칼리 토금속의 금지된 (하지만 완전히 금지되지 않은) 전이선을 탐구하고, 이를 원자 냉각, 원자 시계 등에 응용한다.

중성 원자의 실험에서는 다양한 방법으로 레이저를 제어한다. 광펌핑 (optical pumping) 등의 정교한 과정에서는 레이저의 모든 자유도(주파수 및 위상, 세기, 편광, 공간 모드)를 제어하는 것이 중요하다. 다음은 주로 사용하는 소자이다.

* 광 음향 변조기 (Acousto-optic modulator). 흔히 AOM 이라고 부르며, 레이저의 주파수와 세기를 동시에 빠른 (~ 1 μs) 속도로 제어할 수 있다. 투명한 결정질의 매질에 압전소자 (piezo electric material)을 이용하여 라디오 주파수 대역(30 MHz ~ 300 MHz)의 음파를 만들면, 레이저가 해당 주파수의 포논을 흡수하거나 유도방출하여 주파수가 바뀐 빛이 회절된다. 인가하는 라디오 주파수 신호의 주파수나 포락선(envelope) 등을 변조하여 여러 가지 방식의 제어가 가능하여 양자 시뮬레이션에 활용하는 레이저를 제어하기 위해 자주 사용된다. 
* 광 전기 변조기 (Electro-optic modulator). 흔히 EOM이라고 부른다. 전기장의 크기에 따라 굴절률이 변하는 매질에 신호를 가하면 소자에 걸린 전기장의 세기에 따라 투과하는 레이저의 위상이 바뀐다. 이를 이용하여 옆띠(side band)를 생성하거나, 편광을 순간적으로 바꾸어 편광판과 함께 짧은 펄스를 만들기도 한다. AOM에 비해 빠른 신호(>GHz)를 인가할 수 있다는 장점이 있다. 
* 공간 변조기 (spatial light modulator). 줄여서 SLM이라고도 부른다. 레이저의 공간 모드를 바꾸기 위해 주로 사용된다. 액정을 이용한 소자, MEMS공정을 이용한 Digital micro mirror device 등이 있다. 이를 활용하면 회절 한계 내에서 컴퓨터로 생성할 수 있는 임의의 퍼텐셜을 원자에 가할 수 있어 다양한 용도로 활용할 수 있다.
* 편광 빔 스플리터, 파장판 등의 편광 조절 장치. 복굴절을 이용한 편광 조절을 할 수 있는 소자들을 이용해 빛의 편광 모드를 제어한다.

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