[論文レビュー] Blockade-induced resonant enhancement of the optical nonlinearity in a Rydberg medium

Annika Tebben, Clément Hainaut+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2019

Quantum optics and atomic interactions参考文献 25被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、強いコントロール場によって駆動される二光子過程を通じて、電磁誘導透過（EIT）下におけるラーベルガスにおける光学非線形性の共鳴的増幅を提案する。著者らは、半古典的枠組みにおいて中間状態のダイナミクスを明示的にモデル化し、三次非線形感受率の解析的表現を導出し、プローブ周波数のずれがコントロール場のラビ周波数と一致する際に強い非線形応答ピークが発生することを明らかにした。これにより、光-物質相互作用の空間的形状を自在に制御可能となる。

ABSTRACT

We predict a resonant enhancement of the nonlinear optical response of an interacting Rydberg gas under conditions of electromagnetically induced transparency. The enhancement originates from a two-photon process which resonantly couples electronic states of a pair of atoms dressed by a strong control field. We calculate the optical response for the three-level system by explicitly including the dynamics of the intermediate state. We find an analytical expression for the third order susceptibility for a weak classical probe field. The nonlinear absorption displays the strongest resonant behavior on two-photon resonance where the detuning of the probe field equals the Rabi frequency of the control field. The nonlinear dispersion of the medium exhibits various spatial shapes depending on the interaction strength. Based on the developed model, we propose a realistic experimental scenario to observe the resonance by performing transmission measurements.

研究の動機と目的

• 標準の断熱近似を超えて、相互作用を考慮したラーベルガスのEIT条件下における非線形光学的応答を理解・モデル化すること。
• ラーベル相互作用とコントロール場のダイナミクスの相互作用によって生じる新しい二体・二光子共鳴を同定・特徴付けること。
• 中間状態のダイナミクスを含む半古典的理論を構築し、非線形感受率の解析的予測を可能とすること。
• コントロール場のラビ周波数とプローブ周波数のずれの比を調整することで、非線形応答が顕著に増幅され、空間的に形状付けられることを示すこと。
• 予測された共鳴を現実の原子密度分布で観測可能な実験的透過測定プロトコルを提案すること。

提案手法

• プローブおよびコントロール場（周波数ずれ∆、ラビ周波数ΩpおよびΩc）を含む、EIT下のラーベル原子の三準位系モデルを構築する。
• 原子間距離の関数として表されるラーベル相互作用V(R)を明示的に含む、対状態ハミルトニアンを対称基底で構築する。
• 系のドレッシング固有状態を導出し、特に二重励起部分空間と強い相互作用下での|β₀⟩状態の出現に注目する。
• 弱いプローブ場に対してマクスウェル＝ブロッホ方程式を解き、三次非線形感受率χ⁽³⁾の解析的表現を導出する。
• 非一様な原子密度をガウス分布としてモデル化し、プローブ透過率を記述する微分方程式を解く。
• 数値シミュレーションを用いて、相互作用強度や周波数ずれに応じた共鳴条件Ωc/∆ = |δ|のマップを生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラーベル-EIT系における中間状態のダイナミクスは、非線形光学的応答の共鳴的増幅を引き起こすか？
• RQ2 中間状態のダイナミクスを明示的に含めた場合の三次非線形感受率χ⁽³⁾の解析的形は何か？
• RQ3 二光子共鳴条件は、コントロール場のラビ周波数とプローブ周波数ずれの比にどのように依存するか？
• RQ4 Ωc/∆を調整することで、非線形吸収の空間的プロファイルをチューニングできるか？
• RQ5 非定常な原子密度を持つ現実の実験的設定でも、予測された共鳴は観測可能か？

主な発見

• プローブ周波数のずれδがコントロール場のラビ周波数Ωcと一致するとき、非線形応答が共鳴的に増幅され、非線形吸収に鋭いピークが現れる。
• 三次非線形感受率χ⁽³⁾の解析的表現が導出され、1/γeに比例するスケーリングを示しており、長寿命の中間状態（例：ストロンチウム）が非線形性を顕著に増幅することを示唆している。
• 相互作用を含めた場合、共鳴条件は|Ωc/∆| = 1から|Ωc/∆| ≈ 0.6にシフトする。これは|rr⟩状態に起因するエネルギー準位のずれによるものである。
• 非線形応答の空間的プロファイルは、相互作用強度に応じて明確に異なる形状を示し、Ωc/∆ ≠ 1のとき、有限な原子間距離で吸収の最小値が現れる。
• ガウス分布による原子密度分布においても、透過測定により共鳴が依然として観測可能であり、現在の実験装置で実現可能であることを確認した。
• Ωc/∆の比を用いることで、有効な光ポテンシャルの空間依存性をチューニング可能であり、光子間相互作用の制御が可能となる。