[論文レビュー] Continuous collective strong coupling between atoms and a high finesse optical cavity

Julia Cline, Vera M. Schäfer+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、連続的な搬送を伴う移動光格子を用いて、高精細度リングキャビティへの88Sr原子の連続的ローディングを実証し、1S₀–3P₁遷移における7.5 kHzの真空ラビ分裂を示す、連続的強い集団結合を達成した。この系により冷却レーザーからの決定的でない搬送が可能となり、デ coherent 低下が低減され、ミリヘルツ帯域幅の連続波超放射レーザーの実現に道筋が開かれる。

ABSTRACT

We demonstrate continuous loading of strontium atoms into a high finesse ring cavity and observe continuous strong collective coupling in the form of a vacuum Rabi splitting between the atoms and the cavity on the 7.5 kHz transition $^1{ m S}_0$ to $^3{ m P}_1$. The atoms are loaded into the cavity from a 3D narrow linewidth molasses, thus avoiding large magnetic field gradients and associated broadening of transition frequencies. The ring cavity allows us to realize a deterministic conveyor belt to transport atoms away from the loading region where the laser cooling beams lead to broadening of the strontium clock transition. We trap up to $10^6$ atoms in an intracavity 813 nm lattice in the Lamb-Dicke regime, and transport the atoms along the cavity axis. This work opens the path to the creation of a continuous wave superradiant laser with millihertz linewidth enabling searches for new physics and the use of high-precision optical frequency references outside of low vibration laboratory environments.

研究の動機と目的

• 超高精細度光学キャビティへの超低温原子の連続的ローディングを実現するとともに、強い集団結合を維持すること。
• 移動内キャビティ光格子を用いて原子を冷却ビームから遠ざけ、デ coherent 低下を最小限に抑えること。
• 量子メトロロジーの応用、特に連続波超放射レーザーや高精度周波数基準の分野における連続的運用を可能とすること。
• キャビティ内での原子の決定的コンベアーベルトの実現により、デッドタイムを低減し、信号対雑音比を向上させること。
• エンタングルメント生成や非線形分光法を含む、連続的キャビティ増幅量子技術の基盤を構築すること。

提案手法

• 3次元の狭帯域幅のモラスから原子をリングキャビティにローディングし、遷移の幅拡大を引き起こす大きな磁場勾配を回避する。
• 移動する813 nm光格子を用いて、原子をキャビティ軸に沿って搬送し、冷却領域から低デコherence領域に移動させる。
• 可変周波数レーザーを用いてキャビティ透過度をプローブし、真空ラビ分裂を測定する。冷却レーザーを70 μs間停止することで、幅が広がらないピークを解像する。
• 高精細度リングキャビティ（精細度 ~10⁵）を用い、強い結合と長時間の光子保存を実現する。
• 原子数および位相空間密度はキャビティ透過度を用いて測定され、格子内ではTᵣ = 10(2) μKおよびT_z = 9(1) μKが達成された。
• キャビティは1S₀–3P₁遷移（7.5 kHz帯域幅）に近接してロックされ、30°傾けた磁場によるゼーマン分裂により、全3つのゼーマン準位に結合可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高精細度光学キャビティへの超低温原子の連続的ローディングが、強い集団結合を維持しながら可能になるか？
• RQ2 キャビティ内での原子の決定的搬送が、残留冷却レーザービームによるデコherenceを低減できるか？
• RQ3 連続的運用により、長時間スケールで真に連続的な真空ラビ分裂が観測可能か？
• RQ4 原子フラックスおよび結合強度が、連続波超放射レーザー発振に必要な閾値に達するか？
• RQ5 この系が、安定的かつ高フラックスな連続量子メトロロジーおよび高精度測定のためのソースとして機能できるか？

主な発見

• キャビティへの連続的原子フラックスは2.1(3)×10⁷ ⁸⁸Sr原子/秒に達し、連続的超放射レーザー発振の閾値を上回った。
• 幅が広がらないライン幅で7.5 kHzの真空ラビ分裂が観測され、連続的状態における強い集団結合が裏付けられた。
• 最大1×10⁶個の原子が内キャビティ813 nm格子に捕らえられ、位相空間密度は7(2)×10⁻⁵に達し、高デゲネラシーを示した。
• 格子内での径方向および軸方向温度はそれぞれ10(2) μKおよび9(1) μKに測定され、ラム＝ディック状態が成立していることが確認された。
• 全レーザーを稼働させたまま数時間にわたるサンプリングで真に連続的な真空ラビ分裂が確認され、安定した動作が実証された。
• 得られた原子フラックスは、過去のパulses実験からの位相ずれ率を仮定した場合、連続的超放射レーザー発振に必要な閾値2.7×10⁶ 原子/sを上回った。