[論文レビュー] Large Cross-Phase Modulation between Slow Co-propagating Weak Pulses in Rb

Z.B. Wang, Karl-Peter Marzlin+1 more|CERN Bulletin|Feb 2, 2006

Quantum optics and atomic interactions被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、1つのポンプレーザーと一様な磁場を用いて二重電磁誘導透過（DEIT）を実現し、非線形キャンセレーションを防ぐことで、87Rbにおける2つの遅い、共進路の弱いパルス間で大規模なクロス位相変調（XPM）を実現する手法を提案する。群速度を人口制御によって適合させ、非線形ゼーマン効果を活用することで、最適なXPMを達成し、超低温ガスにおける1光子レベルのパルスで最大で約0.1 radの位相シフトを実現する。

ABSTRACT

We propose a scheme to generate double electromagnetically induced transparency and optimal cross-phase modulation for two slow, copropagating pulses with matched group velocities in a single species of atom, namely 87 Rb. A single pump laser is employed and a homogeneous magnetic field is utilized to avoid cancellation effects through the nonlinear Zeeman effect. We suggest a feasible preparational procedure for the atomic initial state to achieve matched group velocities for both signal fields.

研究の動機と目的

• 1つの原子種内で2つの弱い、共進路の光パルス間で強いクロス位相変調（XPM）を可能にする。
• EITに基づく非線形光学で深刻な相互作用時間を制限する群速度不一致の課題を克服する。
• 非線形ゼーマン効果による磁場を用いたデゲネラシーの解消により、多準位原子系における非線形キャンセレーションとデコherenceを回避する。
• 制御された初期原子状態分布を用いて、2つの信号場の群速度を一致させる。
• 1つのポンプレーザーと1つの原子種（87Rb）のみを用いた、実験的に実現可能なスキームを示す。

提案手法

• 87RbのD1線における5準位原子系を用い、N型、三脚型、M型スキームの特徴を組み合わせ、2つの信号場に対してDEITを可能にする。
• |3⟩↔|4⟩遷移を駆動する1つのポンプレーザーを用い、2つの信号場がそれぞれ|1⟩↔|4⟩および|2⟩↔|4⟩に共鳴的に結合し、追加の非共鳴場が|3⟩↔|5⟩を結合する。
• 一様な磁場を適用してデゲネラシーを解消し、非線形ゼーマン効果により非線形性の破壊的干渉を防止する。
• 原子状態の初期分布を制御することで、|1⟩および|2⟩に制御された人口を有する初期状態を準備し、両パルスの群速度を一致させる。
• 2光子ずれとACスターリングシフトを用いて屈折率と群速度を導出し、EITおよび準位シフトを記述する主要な式（1）および（2）を提示する。
• パラキシアル近似とガウスビームプロファイルを用いてパルス伝搬をモデル化し、波数の変化に起因するXPMによる位相シフトを計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの原子種内で、顕著な群速度不一致が生じない状況下で、2つの弱い共進路パルス間で大規模なクロス位相変調を達成できるか？
• RQ2 2つの信号場を有する多準位EIT系において、非線形キャンセレーションとデコherenceをどのように抑制できるか？
• RQ3 非線形ゼーマン効果は、磁場中で強力でキャンセレーションのない非線形性を実現するために果たす役割は何か？
• RQ4 1つの原子系内で、人口制御によって2つのパルスの群速度をどの程度まで一致させられるか？
• RQ5 特に1光子レベルのパルスを想定した現実的条件下で、達成可能な最大XPM位相シフトはどの程度か？

主な発見

• 本スキームは、1つのポンプレーザーと1つの磁場を用い、ドーピラー効果やデコherenceの問題を回避することで、1つの原子種（87Rb）で最適なXPMを達成する。
• ボーズ＝アインシュタイン凝縮状態におけるガウスパルスを想定した場合、最大で約0.1 radのXPM位相シフトが推定され、双極子双極子相互作用と原子密度によって制限される。
• 440 Kの熱的ガスでは、トランジット幅拡大と基底状態の位相崩壊により、XPM位相シフトが2桁減少し、100光子パルスで40％の減衰を伴っても約0.4 radの位相シフトが得られる。
• |1⟩および|2⟩の初期人口を調整することで、両パルスの群速度を一致させ、長時間の相互作用と強化された非線形効果を実現する。
• 非線形ゼーマン効果により、非線形性の破壊的干渉が抑制され、近共鳴条件下でも強いXPMが可能になる。
• 数値シミュレーションにより、十分に強い信号パルスが使用される限り、熱的ガスでも本スキームが有効であることが確認されているが、効率は低下する。