• adiabatic
• adiabatico
• STIRAP
• super-adiabatico
• transitionless quantum driving
• tre livelli

La ricerca di metodi con cui controllare il trasferimento di popolazione tra specifici stati quantistici è un tema molto importante in fisica atomica e molecolare, ed è un requisito fondamentale in molte applicazioni della fisica
moderna come per esempio l’informazione quantistica.
In questa tesi analizziamo il sistema a tre livelli nelle configurazioni lambda (E1, E3 < E2) e ladder (E1 < E2 < E3). Scopo della tesi è la
determinazione di un metodo robusto che permetta il trasferimento totale di popolazione dallo stato iniziale |1 allo stato finale |3> , i quali hanno stessa parità e quindi non sono accoppiati direttamente tramite radiazione laser. Per effettuare il trasferimento si usa quindi lo stato intermedio |2> . Tuttavia questo stato può essere instabile (cioè può avere vita media piccola rispetto ai tempi del processo di trasferimento). Quindi se parte della popolazione passa da questo stato si hanno delle perdite e non si raggiunge il trasferimento completo.
Lo STIRAP (STImulated Raman Adiabatic Passage) è un metodo che sfrutta la coerenza atomica creata dai campi elettromagnetici per effettuare
un trasferimento “quasi” completo. Si utilizzano due impulsi laser: un impulso di pompa che accoppia lo stato iniziale |1> con lo stato intermedio |2> e un impulso di Stokes che accoppia lo stato intermedio con lo stato finale |3>. L’ingrediente principale di questo metodo è la sequenza di impulsi contro-intuitiva: prima si accende l’impulso di Stokes, che accoppia i due
stati vuoti, poi, con una certa sovrapposizione con l’impulso precedente, si
accende l’impulso di pompa. L’impulso di Stokes che accoppia due stati vuoti crea una sovrapposizione coerente tra di essi, l’impulso di pompa, poi, fa interagire lo stato inizialmente popolato |1> con questa sovrapposizione coerente di stati |2> e |3> . Se sono soddisfatte le condizioni di adiabaticità, si forma un dark state (con proiezione nulla sullo stato |2> ) e la popolazione passa direttamente dallo stato |1> allo stato |3>. Quello che succede è che, se le frequenze di Rabi sono abbastanza grandi o se il tempo di interazione è abbastanza lungo, l’approssimazione adiabatica vale e il sistema segue adiabaticamente il dark state dallo stato iniziale allo stato finale.
In questa tesi sviluppiamo i protocolli “super-adiabatici” dello STIRAP: aggiungendo delle interazioni ausiliarie a quelle dello STIRAP è possibile ottenere una evoluzione “perfettamente adiabatica”, cioè il sistema segue esattamente il dark state senza bisogno di condizioni particolari sulle frequenze di Rabi e sul tempo di interazione. In questo modo la popolazione nello stato intermedio è identicamente nulla per tutta la durata del processo e si ottiene il trasferimento completo di popolazione. Le interazioni ausiliarie, oltre a modificare la forma e la fase degli impulsi di pompa e di Stokes, introducono anche un’interazione tra lo stato iniziale e lo stato finale essenziale per il
funzionamento super-adiabatico. Abbiamo studiato come questa interazione possa essere realizzata attraverso campi magnetici ausiliari o con transizioni a due fotoni. Analizzando le interazioni ausiliarie con metodi analitici e simulazioni numeriche si trova che il protocollo super-adiabatico dello STIRAP è strettamente collegato al ben noto impulso π della risonanza magnetica, che non è un metodo robusto. Studiando il protocollo super-adiabatico abbiamo trovato che gli impulsi dello STIRAP possono essere usati per rendere l’impulso π più robusto. Inoltre, sia per lo STIRAP che per il suo protocollo super-adiabatico, abbiamo studiato il tempo necessario per ottenere un’ efficienza di trasferimento del 99% in funzione della forma degli impulsi e dei
loro parametri.
Per controllare sperimentalmente i risultati ottenuti con la teoria, abbiamo usato degli atomi di Rubidio in una trappola magneto-ottica a temperature dell’ordine di 100 μK. Alcuni risultati preliminari sono stati ottenuti applicando lo STIRAP nella configurazione ladder fra il livello fondamentale ed uno stato di Rydberg.