O zakładzie

Realizowane badania Zakład Optyki Atomowej (ZOA) prowadzi teoretyczne i doświadczalne badania obejmujące szerokie spektrum zagadnień od pogranicza fizyki i matematyki w obszarze mechaniki kwantowej po zastosowania fizyki atomowej w medycynie. Dyskusję prac prowadzonych w ZOA rozpoczynamy od fundamentalnych badań dotyczących mechaniki kwantowej, w których główny nacisk jest położony na opracowanie matematycznego formalizmu opisującego geometrię stanów kwantowych, kwantową informację i dekoherencję. Te badania dają wgląd w strukturę mechaniki kwantowej, prowadzą do postępu w dziedzinie przetwarzania informacji kwantowej i opisują zanik kwantowych cech badanych układów na skutek ich sprzężenia z otoczeniem. Nasze prace pomagają w zrozumieniu i pełnym wykorzystaniu potencjału komputerów kwantowych, jak również w określeniu mechanizmów ograniczających zakres ich działania. Kolejnym tematem badanym w ZOA jest fizyka atomów schłodzonych do temperatury bliskiej zera absolutnego, w której zachowanie układu determinują efekty kwantowo-mechaniczne. W tych układach analizujemy problemy z pogranicza fizyki atomowej i molekularnej, fizyki ciała stałego i optyki kwantowej. W szczególności, zajmujemy się kwantową emulacją oryginalnie zaproponowaną przez Feynmana, która polega na takim przygotowaniu dobrze kontrolowanego układu fizycznego (np. gazu atomowego), aby realizował on ciekawy aczkolwiek nierozwiązywalny analitycznie model fizyczny. Z tych badań wynika, że w układach zimno-atomowych powinna być możliwa emulacja wszystkich modeli z fizyki ciała stałego. W Zakładzie prowadzimy także badania dynamiki układów kwantowych. W szczególności analizujemy zimne gazy atomowe oraz modele spinowe. Wyniki uzyskane przez nas pokazują jak wygląda kwantowa ewolucja solitonów i ile defektów topologicznych powstaje podczas nierównowagowego przeprowadzania układu z jednej fazy do drugiej. W Zakładzie zajmujemy się również tradycyjną fizyka atomową, czyli badaniem struktury poziomów energetycznych atomów. Takie badania pokazują jak atom wygląda od środka i pozwalają na zrozumienie oddziaływania atomów wieloelektronowych z promieniowaniem elektromagnetycznym, co na przykład tłumaczy dlaczego złoto jest żółte. Poza badaniami teoretycznymi, w ZOA prowadzone są zaawansowane prace doświadczalne. W laboratorium Fizyki Zimnych Atomów przy powierzchni badane są atomy w ekstremalnie niskich temperaturach. W szczególności, wykorzystujemy tak zwaną falę zanikającą i plazmony powierzchniowe do manipulowania takimi atomami przy powierzchniach dielektrycznych i metalicznych w celu skonstruowania atomowo-optycznego układu scalonego (tzw. atom chip). Układ taki będzie doskonałą bazą do badań podstawowych i stosowanych. Ponadto przygotowujemy w mikropułapce magnetycznej kondensat Bosego-Einsteina, czyli gaz atomowy o temperaturze bliskiej zeru bezwzględnemu. Uzyskanie tego układu pozwoli połączyć eksperymentalne i teoretyczne prace Zakładu dotyczące fizyki zimnych atomów. We współpracy z Uniwersytetem Południowej Danii prowadzimy eksperymentalne badania nanowłókien i ich modów światłowodowych poprzez analizę oddziaływania plazmonów powierzchniowych z ekscytonami. W laboratorium Optycznej Polaryzacji Gazów Szlachetnych prowadzone są eksperymenty z polaryzacją helu-3 w procesie pompowania optycznego z wymianą metastabilności i ksenonu-129 w procesie pompowania optycznego z wymianą spinu. Celem tych badań jest opracowanie techniki precyzyjnego obrazowania płuc metodą magnetycznego rezonansu jądrowego z użyciem gazów szlachetnych. Te badania powinny pozwolić na wykrywanie bardzo wczesnych zmian w rozwoju takich chorób jak rak, mukowiscydoza i astma. Najważniejsze osiągnięcia Pokazaliśmy możliwość lokalizacji Andersona w nieuporządkowanym układzie dla oddziałujących cząstek na przykładzie kwantowego solitonu. Zaproponowaliśmy model atomowego lasera przypadkowego oraz ideę mikroskopii fazy kondensatu Bosego-Einsteina. Opracowaliśmy metody analizy dynamiki w modelu oddziałujących bozonów (Bose-Hubbarda) i jego rozszerzeń w przypadku silnych czy dalekozasięgowych oddziaływań. Wyprowadziliśmy nowe entropowe zasady nieoznaczoności, zbadaliśmy własności nielokalnych bramek kwantowych i zaproponowaliśmy konstrukcję miar kwantowego splątania osiągalnych eksperymentalnie. Skonstruowaliśmy pierwsze optyczne lustro dipolowe dla atomów rubidu, bazujące na plazmonach powierzchniowych generowanych przy użyciu metalicznej siatki dyfrakcyjnej. Wykonaliśmy pierwsze w Polsce zdjęcie płuc wypełnionych spolaryzowanym helem-3 i zainstalowaliśmy urządzenie do tego typu badań w Specjalistycznym Krakowskim Szpitalu im. Jana Pawła II.