(English) This thesis describes experiments that employ squeezed light to improve the performance of a sensitive optically-pumped magnetometer (OPM). The squeezed light source employs parametric amplification of vacuum fluctuations to produce squeezed vacuum and polarization-squeezed light tunable around the Rb D1 line. The OPM employs Bell-Bloom optical pumping of a high density vapor (with atom number density 10^{13}) and paramagnetic Faraday rotation, also on the Rb D1 line. The setup allows convenient switching from probing with laser light to probing with polarization-squeezed light, to study the use of the latter in atomic magnetometry. The magnetometer shows sub-pT/Hz^{1/2} sensitivity, limited by quantum noise; spin projection noise at low frequencies (<100Hz) and photon shot noise at high frequencies. Probing with polarization squeezed light suppresses the photon shot noise by 2dB, limited by the available squeezing and optical losses in passing through the vapor. This shot-noise suppression improves the high-frequency sensitivity and increases the measurement bandwidth, with no observed loss of sensitivity at any frequency. This result confirms experimentally the expected evasion of measurement back-action noise in the Bell-Bloom magnetometer. The thesis also develops a physical model to explain the observed spin dynamics of the Bell-Bloom magnetometer. The model describes the combined spin and optical polarization dynamics using Bloch equations with stochastic drive and detection noise terms. A perturbative approach and Fourier methods are then used to obtain analytic expressions for the magnetometer's frequency response, spin projection noise and photon shot noise. The role of measurement back-action emerges from a study of this model. As polarization squeezing reduces optical noise in the detected Stokes parameter, the accompanying ellipticity anti-squeezing is shunted into the unmeasured spin component. The thesis also reports a study of squeezed-light-enhanced magnetometry at a range of atomic densities, from 2.18 10^{12} atoms/cm3 to 1.13 10^{13} atoms/cm3 . Operating with fixed conditions of optical pumping, the signal amplitude, instrument noise spectrum and magnetic resonance width are measured as a function of atomic number density, for both laser- and squeezed-light probing. The equivalent magnetic noise spectra are then calculated. In the photon-shot-noise-limited portion of the spectrum, the squeezed light probing improves the magnetometer's sensitivity and measurement bandwidth for the full range of atomic density values. In particular, the laser-probed magnetometer shows a sensitivity optimum at n ~ 6 10 ^{12} atoms/cm3, and the squeezed-light-probed magnetometer surpasses this sensitivity. The thesis concludes with a discussion of the potential of stronger optical squeezing to enhance the instrument's sensitivity in different portions of the spectrum. Using the theory model we estimate the enhancement of the equivalent magnetic noise spectrum for 2 dB , 5.6 dB and perfect squeezing (zero noise in the detected polarization component) at the input to the atomic medium. (Català) Aqueta tesi descriu la millora d’un magnetòmetre de bombeig òptic (OPM) mitjançant l’ús d’estats de llum amb incertesa comprimida (squeezed states). S’usa amplificació paramètrica per a comprimir la incertesa de la font de llum. En concret, es comprimeix la incertesa de l’estat de buit quàntic, com també de la polarització òptica, amb la possibilitar d’ajustar la longitud d’ona al voltant de la transició atòmica D1 de 87Rb. L’OPM usa bombeig òptic Bell-Bloom de vapors d’alta densitat (amb densitats atòmiques properes a 1013) i rotació de Faraday, també al voltant de la transició atòmica D1 de 87Rb. L’aparell experimental permet canviar de mostreig amb llum coherent làser a mostreig amb llum de polarització comprimida, amb la finalitat d’avaluar el seu impacte en la sensitivitat del magnetòmetre. El magnetòmetre té una sensitivitat de sub-pT{ ?Hz , principalment limitada per soroll quàntic; soroll de projecció de spin a baixes freqüències (À 100 Hz) i soroll de quantització fotònica a altes freqüències. L’ús d’estats de llum amb polarització comprimida permet reduir el soroll fotònic en „ 2 dB, limitat per la compressió disponible i les pèrdues en travessar el vapor atòmic. La supressió del soroll fotònic augmenta l’amplada de banda del sistema amb l’avantatge de no perdre sensitivitat a cap banda de freqüència. Els resultats experimentals confirmen l’esperada supressió de retroalimentació de soroll en magnetòmetres de Bell-Bloom. La tesi també estudia el model teòric darrere les dinàmiques de spin en un magnetòmetre de tipus Bell-Bloom. El model descriu la combinació de les dinàmiques de spin i de la polarització òptica mitjançant equacions de Bloch forcades estocàsticament i amb termes de soroll de detecció. Es treballa en el límit pertorbatiu on mitjançant mètodes de Fourier s’obtenen expressions analítiques de la resposta en freqüència del magnetòmetre, dels sorolls de projecció de spin i del soroll de quantització fotònica. El rol de la retroalimentació de soroll també s’extrau d’aquest model. En concret, s’observa que la compressió en polarització redueix el soroll en els paràmetres de Stokes detectats, mentre els paràmetres de spin no mesurats experimenten una expansió de la seva incertesa (anti-squeezing). La tesi estudia magnetòmetres òptics de llum amb incertesa comprimida per a densitats entre 2.18 ˆ 1012 atoms{cm3 i 1.13 ˆ 1013 atoms{cm3. Es mesuren l’amplitud de senyal, l’espectre de soroll i l’amplada de la ressonància magnètica en funció de la densitat atòmica, per a un bombeig òptic constant i per a ambdós tipus de mostreig òptic (llum coherent i llum de polarització comprimida). A continuació, es calculen els espectres de soroll equivalents. En la part d’espectre on domina el soroll de quantització fotònica, s’observa que l’ús de llum de polarització comprimida millora la sensitivitat del magnetòmetre al llarg de tot el rang de densitats atòmics. En concret, la sensitivitat del magnetòmetre amb mostreig coherent és òptima per a n « 6ˆ1012 atoms{cm3 i es demostra una millora amb l’ús de mostreig amb llum comprimida. Es conclou amb una discussió sobre l’efecte de compressions més severes en la sensitivitat del magnetòmetre. Mitjançant el model teòric s’estima la millora en la sensitivitat per a compressions de 2 dB, 5.6 dB i “compressió perfecta” a l’entrada del medi atòmic
(English) This thesis describes experiments that employ squeezed light to improve the performance of a sensitive optically-pumped magnetometer (OPM). The squeezed light source employs parametric amplification of vacuum fluctuations to produce squeezed vacuum and polarization-squeezed light tunable around the Rb D1 line. The OPM employs Bell-Bloom optical pumping of a high density vapor (with atom number density 10^{13}) and paramagnetic Faraday rotation, also on the Rb D1 line. The setup allows convenient switching from probing with laser light to probing with polarization-squeezed light, to study the use of the latter in atomic magnetometry. The magnetometer shows sub-pT/Hz^{1/2} sensitivity, limited by quantum noise; spin projection noise at low frequencies (<100Hz) and photon shot noise at high frequencies. Probing with polarization squeezed light suppresses the photon shot noise by 2dB, limited by the available squeezing and optical losses in passing through the vapor. This shot-noise suppression improves the high-frequency sensitivity and increases the measurement bandwidth, with no observed loss of sensitivity at any frequency. This result confirms experimentally the expected evasion of measurement back-action noise in the Bell-Bloom magnetometer. The thesis also develops a physical model to explain the observed spin dynamics of the Bell-Bloom magnetometer. The model describes the combined spin and optical polarization dynamics using Bloch equations with stochastic drive and detection noise terms. A perturbative approach and Fourier methods are then used to obtain analytic expressions for the magnetometer's frequency response, spin projection noise and photon shot noise. The role of measurement back-action emerges from a study of this model. As polarization squeezing reduces optical noise in the detected Stokes parameter, the accompanying ellipticity anti-squeezing is shunted into the unmeasured spin component. The thesis also reports a study of squeezed-light-enhanced magnetometry at a range of atomic densities, from 2.18 10^{12} atoms/cm3 to 1.13 10^{13} atoms/cm3 . Operating with fixed conditions of optical pumping, the signal amplitude, instrument noise spectrum and magnetic resonance width are measured as a function of atomic number density, for both laser- and squeezed-light probing. The equivalent magnetic noise spectra are then calculated. In the photon-shot-noise-limited portion of the spectrum, the squeezed light probing improves the magnetometer's sensitivity and measurement bandwidth for the full range of atomic density values. In particular, the laser-probed magnetometer shows a sensitivity optimum at n ~ 6 10 ^{12} atoms/cm3, and the squeezed-light-probed magnetometer surpasses this sensitivity. The thesis concludes with a discussion of the potential of stronger optical squeezing to enhance the instrument's sensitivity in different portions of the spectrum. Using the theory model we estimate the enhancement of the equivalent magnetic noise spectrum for 2 dB , 5.6 dB and perfect squeezing (zero noise in the detected polarization component) at the input to the atomic medium. (Català) Aqueta tesi descriu la millora d’un magnetòmetre de bombeig òptic (OPM) mitjançant l’ús d’estats de llum amb incertesa comprimida (squeezed states). S’usa amplificació paramètrica per a comprimir la incertesa de la font de llum. En concret, es comprimeix la incertesa de l’estat de buit quàntic, com també de la polarització òptica, amb la possibilitar d’ajustar la longitud d’ona al voltant de la transició atòmica D1 de 87Rb. L’OPM usa bombeig òptic Bell-Bloom de vapors d’alta densitat (amb densitats atòmiques properes a 1013) i rotació de Faraday, també al voltant de la transició atòmica D1 de 87Rb. L’aparell experimental permet canviar de mostreig amb llum coherent làser a mostreig amb llum de polarització comprimida, amb la finalitat d’avaluar el seu impacte en la sensitivitat del magnetòmetre. El magnetòmetre té una sensitivitat de sub-pT{ ?Hz , principalment limitada per soroll quàntic; soroll de projecció de spin a baixes freqüències (À 100 Hz) i soroll de quantització fotònica a altes freqüències. L’ús d’estats de llum amb polarització comprimida permet reduir el soroll fotònic en „ 2 dB, limitat per la compressió disponible i les pèrdues en travessar el vapor atòmic. La supressió del soroll fotònic augmenta l’amplada de banda del sistema amb l’avantatge de no perdre sensitivitat a cap banda de freqüència. Els resultats experimentals confirmen l’esperada supressió de retroalimentació de soroll en magnetòmetres de Bell-Bloom. La tesi també estudia el model teòric darrere les dinàmiques de spin en un magnetòmetre de tipus Bell-Bloom. El model descriu la combinació de les dinàmiques de spin i de la polarització òptica mitjançant equacions de Bloch forcades estocàsticament i amb termes de soroll de detecció. Es treballa en el límit pertorbatiu on mitjançant mètodes de Fourier s’obtenen expressions analítiques de la resposta en freqüència del magnetòmetre, dels sorolls de projecció de spin i del soroll de quantització fotònica. El rol de la retroalimentació de soroll també s’extrau d’aquest model. En concret, s’observa que la compressió en polarització redueix el soroll en els paràmetres de Stokes detectats, mentre els paràmetres de spin no mesurats experimenten una expansió de la seva incertesa (anti-squeezing). La tesi estudia magnetòmetres òptics de llum amb incertesa comprimida per a densitats entre 2.18 ˆ 1012 atoms{cm3 i 1.13 ˆ 1013 atoms{cm3. Es mesuren l’amplitud de senyal, l’espectre de soroll i l’amplada de la ressonància magnètica en funció de la densitat atòmica, per a un bombeig òptic constant i per a ambdós tipus de mostreig òptic (llum coherent i llum de polarització comprimida). A continuació, es calculen els espectres de soroll equivalents. En la part d’espectre on domina el soroll de quantització fotònica, s’observa que l’ús de llum de polarització comprimida millora la sensitivitat del magnetòmetre al llarg de tot el rang de densitats atòmics. En concret, la sensitivitat del magnetòmetre amb mostreig coherent és òptima per a n « 6ˆ1012 atoms{cm3 i es demostra una millora amb l’ús de mostreig amb llum comprimida. Es conclou amb una discussió sobre l’efecte de compressions més severes en la sensitivitat del magnetòmetre. Mitjançant el model teòric s’estima la millora en la sensitivitat per a compressions de 2 dB, 5.6 dB i “compressió perfecta” a l’entrada del medi atòmic
Nowadays there is a considerable progress in optical magnetometry and spin noise spectroscopy, which use magnetically-sensitive atomic ensembles and optical read-out, approaching the limits set by quantum mechanics. In recent years optical magnetometers have become the most sensitive instruments for measuring low-frequency magnetic fields, achieving sub-femtotesla sensitivity and surpassing the competitive superconducting quantum interference devices (SQUIDs), and have found applications in biomedicine, geophysics, space science as well as in tests of fundamental physics. Another emerging technique is spin noise spectroscopy (SNS), which allows one to determine physical properties of an unperturbed spin system from its power noise spectrum. In the last decade technological advances like real-time spectrum analyzers and shot-noise-limited detectors have allowed improvements in the sensitivity of spin noise detection leading to a broad range of applications in both atomic and solid state physics. The main goal of this thesis is to address a major outstanding question: whether squeezed light can improve the sensitivity of atomic sensors under optimal sensitivity conditions, typically in a high-density regime due to the statistical advantage of using more atoms. Firstly, we describe the design, construction and characterization of a new versatile experimental apparatus for the study of squeezed-light atomic spectroscopy within a high-density regime (n=¿10¿^12 ¿cm¿^(-3)) and low-noise (¿pT/vHz) magnetic environment. The new experimental system is combined with an existing source of polarization squeezed light based on spontaneous parametric down conversion (SPDC) in a nonlinear crystal, which is the active medium of an optical parametric oscillator. Secondly, we report the first experimental demonstration of quantum-enhanced spin noise spectroscopy of natural abundance Rb via polarization squeezing of the probe beam. We found that input squeezing of 3.0 dB improves the signal-to-noise ratio by 1.5 dB to 2.6 dB over the combined (power¿number density) ranges (0.5 mW to 4.0 mW) ¿ (1.5 ׿10¿^12 ¿cm¿^(-3) to 1.3 ׿10¿^13 ¿cm¿^(-3)), covering the ranges used in optimized spin noise spectroscopy experiments. We also show that squeezing improves the trade-off between statistical sensitivity and broadening effects. Next, we introduce a novel theoretical model by defining a standard quantum limit (SQL) for optically-detected noise spectroscopy, identified as a bound to the covariance of the parameters estimated by fitting power noise spectra. We test the model for spin noise spectroscopy of natural abundance Rb and we demonstrate experimental performance of SNS at the SQL for a coherent probe and below the SQL for a polarization squeezed probe. Finally, we report an optical magnetometer based on amplitude modulated optical rotation (AMOR), using a 85Rb vapor cell, that achieves room temperature sensitivity of 70 fT/vHz at 7.6 µT and we demonstrate its photon shot-noise-limited (SNL) behaviour from 5 µT to 75 µT. While no quantum resources of light were used in this second experiment, the combination of best sensitivity, in the class of room-temperature scalar Hoy en día existe un considerable progreso en la magnetometría óptica y espectroscopía de ruido de espin, que utilizan conjuntos atómicos magnéticamente sensibles y lectura óptica, acercándose a los límites establecidos por la mecánica cuántica. En los últimos años los magnetómetros ópticos se han convertido en los instrumentos más sensibles para medir los campos magnéticos de baja frecuencia, logrando sensibilidad de sub-femtotesla y superando dispositivos como los superconductores de interferencia cuántica (SQUID), y han encontrado aplicaciones en biomedicina, geofísica, ciencia espacial, así como en varias pruebas de física fundamental. Otra técnica emergente es la espectroscopía de ruido de espin (SNS), que permite determinar las propiedades físicas de un sistema de espin sin perturbarlo por medio de su espectro de potencia de ruido. En la última década, los avances tecnológicos como analizadores de espectro en tiempo real y detectores limitados por el ruido de disparo de fotón han permitido mejoras en la sensibilidad de detección de ruido de spin que conduce a una amplia gama de aplicaciones tanto en la física del estado sólido como en la física atómica. El objetivo principal de esta tesis es responder a una cuestión pendiente e importante: si la "luz comprimida" puede mejorar la sensibilidad de los sensores atómicos en condiciones óptimas para la sensibilidad, típicamente en un régimen de alta densidad debido a la ventaja estadística de utilizar más átomos. En primer lugar, se describe el diseño, construcción y caracterización de un nuevo aparato experimental versátil para el estudio de la espectroscopia atómica con luz comprimida dentro de un régimen de alta densidad (n=¿10¿^12 ¿cm¿^(-3)) y bajo nivel de ruido magnético (¿pT/vHz). El nuevo sistema experimental se combina con una fuente existente de luz comprimida en polarización, basado en el proceso de conversión paramétrica espontánea descendente (SPDC) en un cristal no lineal, que es el medio activo de un oscilador paramétrico óptico. En segundo lugar, se presenta la primera demostración experimental de espectroscopía de espin de Rubidio, en abundancia natural, mejorada a través de la compresión en polarización de la luz de prueba. Se encontró que la entrada de 3.0 dB de luz comprimida mejora la relación señal-ruido de 1.5 dB a 2.6 dB en el intervalo combinado (potencia óptica)¿(densidad atómica) de (0.5 mW to 4.0 mW) ¿ (1.5׿10¿^12 ¿cm¿^(-3) to 1.3׿10¿^13 ¿cm¿^(-3)), que cubre rangos utilizados en los experimentos optimizados de espectroscopía de ruido de espin. También mostramos que la luz comprimida mejora el equilibrio entre la sensibilidad estadística y efectos de ampliación de la resonancia. A continuación, se introduce un nuevo modelo teórico con la definición de un límite cuántico estándar (SQL) para la espectroscopía de ruido detectado ópticamente, identificado como un límite a la covarianza de los parámetros estimados mediante el ajuste de los espectros de potencia de ruido. Probamos el modelo para la espectroscopia de ruido de espin en abundancia natural de rubidio y demostramos el rendimiento experimental de la espectroscopia de ruido al límite cuántico estándar para una haz coherente y por debajo del SQL para una haz de luz comprimida en polarización. Por último, se presenta un magnetómetro óptico basado en rotación óptica modulada en amplitud (AMOR), utilizando una celda de vapor de 85Rb, que logra sensibilidad a la temperatura ambiente de 70 fT/vHz a 7.6 µT y demostramos su limite de ruido de disparo de fotón (SNL) en el intervalo de 5 µT a 75 µT. Si bien no se utilizaron recursos cuánticos de la luz en este segundo experimento, la combinación de la mejor sensibilidad, en la clase de los magnetómetros escalares de temperatura ambiente, y con operación al limite de ruido de disparo hace que el sistema sea un candidato prometedor para la aplicación de luz comprimida a un magnetómetro óptico optimizado con mejor sensibilidad en la clase
Optical magnetometers use magnetically-sensitive atomic ensembles and optical read-out to detect the amplitude of magnetic fields. They have become the most sensitive instruments for measuring low-frequency magnetic fields surpassing competing technologies like superconducting quantum interface devices (SQUIDs), and find applications in a variety of fields ranging from medicine, biology and geophysics, as well as tests of fundamental physics. However, their fundamental sensitivity is bounded by quantum mechanical behavior of the atoms, which gives rise to the standard quantum limit (SQL). As many instruments are approaching this fundamental limit, it becomes necessary to explore ways to overcome the SQL. Quantum metrology studies strategies to increase the sensitivity beyond the SQL by means of quantum engineering the atomic states. In this thesis, we investigate the quantum enhanced detection of time varying radio-frequency magnetic fields using a cold atomic ensemble of 87Rb atoms held in an optical dipole trap. We first theoretically develop a new measurement technique based on stroboscopic back-action evading measurements that takes advantage of the atomic coherence. This measurement scheme is suitable for the detection of arbitrarily-chosen components of radio-frequency waveforms and includes radio-frequency magnetometry as a special case. Experimentally, we demonstrate the capabilities of this technique using a linearly chirped waveform as a test case. As a first experiment, we demonstrate the selective response of the method in the coherently accumulated signal by the atoms. For this, we dispersively probe the atoms via Faraday rotation and non-destructively measure the induced magnetization. In the last part of the thesis we demonstrate quantum enhanced magnetic field detection. In a measure-evolve-measure (MEM) sequence, a first stroboscopic quantum non-demolition (QND) measurement produces a state with reduced projection noise, followed by a period of free evolution where the atoms accumulate signal. A second QND measurement detects the change relative to the first measurement. We demonstrate entanglement-enhanced sensing of sinusoidal and linearly chirped waveforms, with metrologically-relevant noise reduction of _2m =0.84(8) and _2m =0.80(3), respectively. We achieve volume-adjusted sensitivity of _B p V _ 3.96 fT p cm3/Hz, comparable to the best radio-frequency magnetometers. Els magnetòmetres òptics utilitzen conjunts d’àtoms sensibles magnèticament i lectura òptica per detectar l’amplitud de camps magnètics. S’han convertit en els instruments més sensibles per mesurar camps magnètics de baixa freqüència, superant tecnologies rivals com els dispositius superconductors d’interfície quàntica (SQUID), alhora que troben aplicacions en camps tan diversos com la medicina, la biologia, la geofísica, fins a proves de física fonamental. No obstant això, la seva sensibilitat està fonamental limitada pel comportament quàntic dels àtoms que dóna lloc al límit quàntic estàndard (SQL). Donat que molts instruments s’aproximen a aquest límit fonamental, es imprescindible explorar maneres de superar-ho. La metrologia quàntica estudia estratègies per augmentar la sensibilitat més enllà del SQL mitjançant enginys quàntics en l’estat dels àtoms. En aquesta tesi investiguem la detecció de camps magnètics de freqüència de ràdio amb un conjunt d’atòms freds de 87Rb mantinguts en una trampa de dipol òptic. En primer lloc, desenvolupem teòricament una nova tècnica de mesura basada en mesures estroboscòpiques que eviten la contra-acció de la mesura alhora que permet aprofitar la coherència atòmica. Aquest esquema de mesura és compatible amb la detecció de components elegits arbitràriament de formes d’ona de freqüència de ràdio i inclou la magnetometria de radiofreqüència com a cas especial. Demostrem experimentalment les capacitats d’aquesta tècnica utilitzant una forma d’ona de prova amb canvi de freqüència lineal. Al primer experiment, demostrem la resposta selectiva del mètode en la senyal coherent acumulada pels àtoms. Per aconseguir-ho, provem de forma dispersiva els àtoms amb la sonda Faraday i mesurem no destructivament oscil·lació de Rabi de la població atòmica entre els subnivells magnètics dels nivells hiperfins de l’àtom. A la darrera part de la tesi, demostrem la detecció de l’amplitud de camps magnètics amb precisió millorada gràcies a efectes quàntics. En una seqüència de mesura-evolució-mesura (MEM), una primera mesura quàntica, estroboscòpica i no destructiva (QND) produeix un estat amb soroll de projecció atòmic reduït. El segueix un període d’evolució lliure on els àtoms s’acumulen senyal. Una segona mesura QND detecta el canvi relatiu a la primera mesura. Demostrem detecció millorada per entrellaçament quàntic per a formes d’ona sinusoïdals i amb canvi de freqüència lineal, amb reduccions de soroll metrològicament rellevants ξ2m =0.84(8) i ξ2m =0.80(3), respectivament. Aconseguim una sensibilitat ajustada pel volum B p V 3.96 fT p cm3/Hz, comparable als millors magnetòmetres operant a freqüència de ràdio.
We study the effect of optical polarization squeezing on the performance of a sensitive, quantum-noise-limited optically pumped magnetometer. We use Bell-Bloom (BB) optical pumping to excite a Rb87 vapor containing 8.2×1012 atoms/cm3 and Faraday rotation to detect spin precession. The sub-pT/Hz sensitivity is limited by spin projection noise (photon shot noise) at low (high) frequencies. Probe polarization squeezing both improves high-frequency sensitivity and increases measurement bandwidth, with no loss of sensitivity at any frequency, a direct demonstration of the evasion of measurement backaction noise. We provide a model for the quantum noise dynamics of the BB magnetometer, including spin projection noise, probe polarization noise, and measurement backaction effects. The theory shows how polarization squeezing reduces optical noise, while measurement backaction due to the accompanying ellipticity antisqueezing is shunted into the unmeasured spin component. The method is compatible with high-density and multipass techniques that reach extreme sensitivity.
We study the effect of optical polarization squeezing on the performance of a sensitive, quantum-noise-limited optically pumped magnetometer. We use Bell-Bloom (BB) optical pumping to excite a ^{87}Rb vapor containing 8.2×10^{12} atoms/cm^{3} and Faraday rotation to detect spin precession. The sub-pT/sqrt[Hz] sensitivity is limited by spin projection noise (photon shot noise) at low (high) frequencies. Probe polarization squeezing both improves high-frequency sensitivity and increases measurement bandwidth, with no loss of sensitivity at any frequency, a direct demonstration of the evasion of measurement backaction noise. We provide a model for the quantum noise dynamics of the BB magnetometer, including spin projection noise, probe polarization noise, and measurement backaction effects. The theory shows how polarization squeezing reduces optical noise, while measurement backaction due to the accompanying ellipticity antisqueezing is shunted into the unmeasured spin component. The method is compatible with high-density and multipass techniques that reach extreme sensitivity.
We study the effect of optical squeezing on the performance of a sensitive, quantum-noise-limited optically-pumped magnetometer. We use Bell-Bloom optical pumping to excite a 87Rb vapor and Faraday rotation to detect spin precession. The sub-pT/Hz sensitivity is limited by spin projection noise (photon shot noise) at low (high) frequencies. Probe polarization squeezing both improves high-frequency sensitivity and increases signal bandwidth. The accompanying polarization anti-squeezing perturbs only an unmeasured spin component, so there is no loss of sensitivity at any frequency. The method is compatible with high-density and multi-pass techniques that reach extreme sensitivity.
(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.