[論文レビュー] Enhancement of electromagnetically induced transparency based Rydberg-atom electrometry through population repumping

Nikunjkumar Prajapati, Amy K. Robinson+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 41被引用数 87

ひとこと要約

この論文は、地上状態の励起再励起が、電磁誘導透過（EIT）に基づくラビット原子電磁計の感度を向上させることを示している。EITピークの振幅はほぼ2倍に増大するが、線幅は拡大せず、ドーピラー幅やパワー幅拡大も引き起こさない。この手法により、弱いRF電磁界に対する信号応答がほぼ2倍に向上し、光子ショットノイズが根本的なノイズ制限であると特定された。

ABSTRACT

We demonstrate improved sensitivity of Rydberg electrometry based on electromagnetically induced transparency (EIT) with a ground state repumping laser. Though there are many factors that limit the sensitivity of radio frequency field measurements, we show that repumping can enhance the interaction strength while avoiding additional Doppler or power broadening. Through this method, we nearly double the EIT amplitude without an increase in the width of the peak. A similar increase in amplitude without the repumping field is not possible through simple optimization.We also establish that one of the key limits to detection is the photon shot noise of the probe laser. We show an improvement on the sensitivity of the device by a factor of nearly 2 in the presence of the repump field.

研究の動機と目的

• 弱いEIT信号とドーピラー幅拡大によるラビット原子ベース電磁計の根本的感度制限を解決すること。
• 従来のレーザー出力増大による手法で、EIT振幅を増大させると同時にパワー幅拡大やドーピラー幅拡大を引き起こすというトレードオフを克服すること。
• 原子の速度分布を変更せずに、EITプロセスに参加する原子数を増やすことで、RF電磁界測定における信号対ノイズ比を向上させること。
• 感度を制限する主なノイズ源を特定・特徴付け、特に光子ショットノイズと1/fレーザーノイズを特定すること。
• 地上状態に励起再励起レーザーを用いることで、幅拡大を伴わない実用的で効果的なEIT相互作用強度の向上手法を実証すること。

提案手法

• ⁸⁵Rbにおける5S₁/₂, F=2状態から5P₁/₂状態への遷移を795 nmの励起再励起レーザーで駆動し、その後5S₁/₂, F=3状態に崩壊させる。
• 逆方向に伝播する780 nmプローブレーザーと480 nmカップリングレーザーをラダーシステムで配置し、2光子遷移により50D₅/₂状態に励起することで、ラビット系でEITを生成する。
• バランスド検出を用いて共通モードのレーザーノイズを抑制し、信号対ノイズ比を向上させる。
• 微分検出とロックイン増幅を用いて、RF電磁界によって誘導されるオートラー＝タウンズ分裂を測定し、周波数分裂を振幅変調に変換する。
• EITライン形状を、透過トレースのフィッティングにより振幅と線幅を抽出することで、励起再励起レーザー有無での比較を行う。
• 480 nmカップリングビームと同一方向に795 nmレーザーを入射させることで、波数依存のドーピラーシフトを回避しつつ、検出器への光漏れを最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上状態の励起再励起は、線幅を拡大せずにEIT信号振幅を増大させることができるか？
• RQ2 従来のレーザー出力や原子密度の最適化を超えて、励起再励起はラビットベースRF電磁界センシングの感度をどの程度向上させるか？
• RQ3 低周波数および高周波数におけるEITベース電磁計の感度を制限する主なノイズ源は何か？
• RQ4 励起再励起プロセスは、ドーピラー分布を変更せずに、EIT相互作用に参加する原子数を有効に増加させるか？
• RQ5 レーザーシステムや幾何配置を変更せずに、励起再励起のみで信号対ノイズ比をほぼ2倍に向上させることができるか？

主な発見

• 励起再励起レーザーにより、EITピーク振幅はほぼ2倍に増大したが、線幅は拡大せず、相互作用強度の幅拡大なしの向上が達成された。
• EIT振幅の向上は、単純なレーザー出力最適化では達成できないことから、励起再励起がEITプロセスに参加する有効原子数を増加させるという、特異的な役割を果たしていることが確認された。
• 励起再励起レーザーの存在下では、RF電磁界に対する信号応答がほぼ2倍に向上し、デバイスの感度が直接的に向上した。
• 高周波数域では光子ショットノイズが根本的なノイズフロアを形成し、低周波数域では1/fレーザーノイズが支配的であると特定された。
• すべての関与する原子のドーピラー分布が同一のままであることが確認され、増幅が追加の速度依存幅拡大によるものではないことが裏付けられた。
• システムは5.5 µV/m·Hz⁻¹/²の電場感度を達成し、励起再励起技術によりショットノイズによる量子限界に顕著に近づいた。