[論文レビュー] Excitation of an Atomic Transition with a Vortex Laser Beam

Christian T. Schmiegelow, J. Schulz+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、回転対称性が保たれる状況下でも、ビレッジュラーレーザービームから単一の 40Ca+ 結晶の内部電子状態への軌道的角運動量（OAM）の転送を、四極子遷移を介して示した。1つの光子が2量子の角運動量を転送できることを実証した。主な結果として、ビームの暗黒中心における双極子的ac-Starkシフトが97.5%抑制された一方で、コherentなラビ振動が継続しており、デコherenceが低減する高精度な量子操作が可能である。

ABSTRACT

Photons carry one unit of angular momentum associated with their spin~\cite{Beth1936}. Structured vortex beams carry additional orbital angular momentum which can also be transferred to matter~\cite{Allen1992}. This extra twist has been used for example to drive motion of microscopic particles in optical tweezers as well as to create vortices in degenerate quantum gases~\cite{He1995,Andersen2006}. Here we demonstrate the transfer of optical orbital angular momentum from the transverse spatial structure of the beam to the internal (electronic) degrees of freedom of an atom. Probing a quadrupole transition of a single trapped $^{40}$Ca$^+$ ion localized at the center of the vortex, we observe strongly modified selection rules, accounting for both the photon spin and the vorticity of the field. In particular, we show that an atom can absorb two quanta of angular momentum from a single photon even when rotational symmetry is conserved. In contrast to previous findings~\cite{Araoka2005,Loeffler2011a,Mathevet2013}, our experiment allows for conditions where the vorticity of the laser beam determines the optical excitation, contributing to the long-standing discussion on whether the orbital angular momentum of photons can be transferred to atomic internal degrees of freedom~\cite{VanEnk1994,Babiker2002,Jauregui2004, Schmiegelow2012, Mondal2014, Scholz-Marggraf2014} and paves the way for its use to tailor light-matter interactions.

研究の動機と目的

• 回転対称性が保たれる系において、光子の軌道的角運動量（OAM）が原子の内部自由度に転送可能かどうかを調査すること。
• 従来の双極子選択則を越える四極子遷移を駆動するための横方向の電場勾配の役割を明らかにすること。
• 光学時計や量子論理ゲートにとって不可欠なac-Starkシフトを、ビレッジュラービーム中心の強度ノードを活用して低減すること。
• 強度がゼロであるにもかかわらず、コherentな結合が維持されることを実証し、高精度な量子操作を可能にすること。

提案手法

• 単一の 40Ca+ 結晶をマイクロ構造化されたポールトラップに捕らえ、運動基底状態に近い状態に冷却した。
• トゥルビュールレーザーをホログラフィック位相プレートを用いてラゲール・ガウス（LG）モード（l = 0, ±1, ±2 の LG₀ˡ）に整形し、明確なOAMを持つビレッジュラービームを生成した。
• 電場勾配は高いが強度はほぼゼロであるビームの強度最小点（半影領域）にイオンを配置し、ac-Starkシフトを最小限に抑えた。
• ラビ周波数を測定するために、ビレッジュラービームを用いて 4²S₁/₂ ↔ 3²D₅/₂ の四極子遷移を駆動し、蛍光像の観測によってコherentな励起状態の振動を検出した。
• ラマーシー干渉計を用いて、異なるビーム配置におけるac-Starkシフトを測定し、暗黒中心（横方向勾配）と強度最大点（縦方向勾配）を比較した。
• 出力パワーで正規化し、補正したac-Starkシフトを抽出した。四極子寄与を差し引いた後、光学出力パワーで正規化することで、シフト対結合比の直接比較が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転対称性が保たれる状況下でも、1つの光子の軌道的角運動量（OAM）が原子の内部電子状態に転送可能か？
• RQ2 ビレッジュラービームの横方向電場勾配が、ビーム中心で強度がゼロであっても四極子遷移のコherent励起を可能にするか？
• RQ3 ビレッジュラービームの暗黒中心において、双極子的ac-Starkシフトをどの程度まで低減できるか？ 一方で、強いコherent結合が維持されるか？
• RQ4 ガウスビームと比較して、ビレッジュラービームの半影領域におけるac-Starkシフト対ラビ周波数比は顕著に小さくなるか？

主な発見

• ビレッジュラービーム（LG₀¹）の横方向勾配により、強度最小点（強度ゼロ）においても 4²S₁/₂ ↔ 3²D₅/₂ の四極子遷移がコherentに励起された。
• ビレッジュラービームの半影領域（位置A）で測定された双極子的ac-Starkシフトは 2π × 1.54(15) kHz であり、強度最大点（位置B）のシフトのわずか 0.70(25)% にまで低減された。
• 正規化された残存双極子的シフト対ラビ周波数比（ξ）は、ガウスビームの場合と比較して、ビレッジュラービームの暗黒中心で 2.5(9)% の抑制が達成された。
• ac-Starkシフトの測定された低減は、イオン位置に強度が存在しないことに起因し、残存シフトは非零の電場振幅領域への熱的フラクチュエーションに起因すると考えられる。
• 実験により、1つの光子が原子系に2量子の角運動量（スピン＋OAM）を転送できることを確認した。これは標準的な双極子選択則に反する。
• 結果として、OAMを運ぶビームが、デコherenceを低減する新たな制御パラメータとして利用可能であることが示された。特に光学時計や量子論理ゲートにおいて顕著な利点を有する。