Cavity-enhanced non-destructive measurements of atomic magnetism
Authors:   , Mazzinghi Chiara 
Published: July 2024

(English) In this work we propose and demonstrate cavity-enhanced polarization rotation to detect magnetic effects in transparent media with greater sensitivity at equal optical disturbance to the atomic medium. We use the Jones calculus to compute the
effective polarization rotation effect in a cavity containing a magnetic medium. We include the losses due to enclosure window or other sources. The results show that to measure polarization rotation collecting the transmitted light has advantages in terms of linearity and simplicity with respect to collecting the reflected light. We show also the description of a "commensurate lattice'', to position the atoms at the anti-nodes of the probing light: this increases the atom-light coupling and therefore the cavity enhancement. The trapping light is also used to stabilize the cavity.
Then we describe the experimental realization of the cavity and we demonstrate the theory described by measuring the Faraday rotation in a Rb-87 atomic ensemble in the single-pass and cavity enhanced geometries. We observe the
enhancement given by the cavity in good agreement with the theoretical predictions. We also demonstrate shot-noise-limited operation of the enhanced rotation scheme in a small angle regime.
We conclude with the expected squeezing effect given by the cavity in a cold and ultra-cold ensembles. The cavity tested gives a measurement squeezing 5 dB larger with respect to the SP case.

(Català) En aquesta tesi, proposem i demostrem un mètode basat en cavitats òptiques per a la detecció millorada de la rotació de polarització (rotació de Faraday). L'objectiu d'aquesta tècnica és detectar efectes magnètics en materials transparents amb més
sensibilitat a la mateixa pertorbació òptica del medi atòmic. Utilitzem el càlcul matricial de Jones per calcular lefecte de la rotació de la polarització en una cavitat òptica que conté el material magnètic. En el càlcul s'han inclòs diversos efectes dissipatoris, com les pèrdues per transmissió al segon mirall de la cavitat, entre d'altres. Els resultats mostren que per mesurar la rotació de la polarització, la detecció de la llum transmesa té avantatges en termes de linealitat i simplicitat pel que fa a la detecció de la llum reflectida. També mostrem la descripció teòrica de l'efecte d'una estructura de confinament òptica usada per posicionar els àtoms d'un gas atòmic ultrafred als antinodes de la llum de sondeig. Això dóna lloc a un augment de l'acoblament àtom-llum i, per tant, a la millora del mètode basat en la cavitat òptica. La llum de confinament també es fa servir per estabilitzar la cavitat.
Després descrivim la realització experimental de la cavitat òptica i demostrem la teoria descrita comparant la rotació de Faraday mesurada en un gas atòmic de Rb en dues situacions: la geometria de pas únic i la millorada per la cavitat òptica. Observem la millora deguda a la cavitat en concordança amb les prediccions teòriques. També demostrem la detecció limitada pel soroll quàntic de la rotació de la polarització de la llum de sondeig en un règim d'angle petit d'aquesta rotació.
Concloem amb el càlcul de l'efecte de spin-squeezing degut a la detecció millorada per la cavitat òptica en núvols d'àtoms freds i ultrafreds. L'ús de la cavitat òptica testejada resulta en un efecte de spin-squeezing 5 dB més gran que en el cas de la geometria de pas únic.

(Español) En esta tesis, proponemos y demostramos un método basado en cavidades ópticas para la detección mejorada de la rotación de polarización (rotación de Faraday). El objetivo de esta técnica es detectar efectos magnéticos en materiales transparentes con mayor sensibilidad a igual perturbación óptica del medio atómico. Utilizamos el cálculo matricial de Jones para calcular el efecto de la rotación de la polarización en una cavidad óptica que contiene el material magnético. En el cálculo se han incluido diversos efectos disipatorios, como las pérdidas por transmisión en el segundo espejo de la cavidad, entre otras. Los resultados muestran que para medir la rotación de la polarización, la detección de la luz transmitida tiene ventajas en términos de linealidad y simplicidad con respecto a la detección de la luz reflejada. Mostramos
también la descripción teórica del efecto de una estructura de confinamiento óptica usada para posicionar los átomos de un gas atómico ultrafrío en los antinodos de la luz de sondeo. Esto da lugar a un aumento del acoplamiento átomo-luz y, por
lo tanto, a la mejora del método basado en la cavidad óptica. La luz de confinamiento también se utiliza para estabilizar la cavidad.
Luego describimos la realización experimental de la cavidad óptica y demostramos la teoría descrita comparando la rotación de Faraday medida en un gas atómico de Rb en dos situaciones: la geometría de paso único y la mejorada por la cavidad óptica. Observamos la mejora debida a la cavidad en concordancia con las predicciones teóricas. También demostramos la detección limitada por el ruido cuántico de la rotación de la polarización de la luz de sondeo en un régimen de ángulo pequeño de dicha rotación.
Concluimos con el cálculo del efecto de spin-squeezing debido a la detección mejorada por la cavidad óptica en nubes de átomos fríos y ultrafríos. El uso de la cavidad óptica testeada resulta en un efecto de spin-squeezing 5 dB mayor que en el caso de la geometría de paso único.