[論文レビュー] Laser-cooled atoms inside a hollow-core photonic-crystal fiber

Michal Bajcsy, Sebastian Hofferberth+6 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Apr 27, 2011

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、レーザー冷却されたルビジウム原子を単モードの空芯フォトニクスクリスタルファイバー（PCF）に効率的に荷電させることを示している。原子は遠い周波数デチューニングされた光学ダイポールトラップで捕らえられ、共通のファイバーを介してガイドされた共鳴ビームでプローブされる。この手法により、光学的深さが約180に達し、従来の研究と比較して6倍高い。これは、少数光子レベルの量子光学応用における強い原子-光子相互作用を可能にする。

ABSTRACT

We describe the loading of laser-cooled rubidium atoms into a single-mode hollow-core photonic-crystal fiber. Inside the fiber, the atoms are confined by a far-detuned optical trap and probed by a weak resonant beam. We describe different loading methods and compare their trade-offs in terms of implementation complexity and atom-loading efficiency. The most efficient procedure results in loading of ~30,000 rubidium atoms, which creates a medium with optical depth ~180 inside the fiber. Compared to our earlier study this represents a six-fold increase in maximum achieved optical depth in this system.

研究の動機と目的

• 量子光学実験を対象とした、レーザー冷却原子を空芯フォトニクスクリスタルファイバーに効果的かつ安定して荷電させる手法の開発。
• ファイバー内に閉じ込められた原子アンサンブルにおける高い光学的深さを達成し、強い光-物質相互作用を実現すること。
• 量子情報および非線形光学への応用を目的として、捕らえられた原子の温度、寿命、空間的分布を同定すること。
• 同じファイバーを通じて光をガイドすることにより、原子の捕らえとプローブを統合的に実現し、光子-原子系の統合を促進すること。
• 従来のキャピラリー系の制限を克服し、トラップ光およびプローブ光の両方を低損失で単モードでガイドする単モードPCFを用いること。

提案手法

• 原子は最初に磁気光的トラップ（MOT）で冷却され、その後、PCFの空芯に焦点を合わせたガウスビームによって形成される、ファイバー結合型の遠く離れた周波数デチューニング光学ダイポールトラップに移行する。
• ダイポールトラップは、1064 nmのレーザー光ビームをPCFコアに強く焦点合わせることで生成され、原子を径方向に束縛する横方向ポテンシャルを形成する。
• 780 nmの弱い共鳴プローブビームが同じPCFに結合され、原子アンサンブルをプローブする。光はフォトニクスバンドギャップ効果により、空芯を介してガイドされる。
• MOTのサイズ、トラップビームの強度、およびMOTからの解放に伴うダイポールトラップの活性化タイミングを調整することで、荷電効率を最適化する。
• 原子をファイバー内トラップから解放し、MOTに再捕獲する際の再捕獲効率を測定することで、径方向温度および雲のサイズを抽出する。
• 光学的深さは、プローブビームの吸収を測定することで計算され、径方向密度プロファイルはガウス分布であると仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空芯フォトニクスクリスタルファイバー内に閉じ込められたレーザー冷却原子アンサンブルで達成可能な最大光学的深さは何か？
• RQ2 MOTのサイズやトラップビーム強度といった実験パラメータが、PCFへのレーザー冷却原子の荷電効率にどのように影響するか？
• RQ3 ファイバー内ダイポールトラップに移行した後の原子の温度および空間的分布は何か？
• RQ4 同じPCFを介してトラップ光およびプローブ光を効率的にガイドしつつ、高い原子-光子相互作用強度を維持できるか？
• RQ5 荷電プロセスはどの程度断熱的であり、原子雲の位相空間密度は移行中にどのように変化するか？

主な発見

• 最も効率的な荷電手順により、約30,000個のルビジウム原子がファイバー内部に捕らえられる。
• システムは光学的深さ約180に達し、類似システムにおける以前の最大値と比較して6倍の向上を達成した。
• 捕らえられた原子雲の温度は約1.6 mKであり、径方向の雲サイズは約2.2 μmであり、高い横方向の束縛を示している。
• ファイバー内での原子雲の位相空間密度は約10⁻⁷であり、元のMOTのピーク位相空間密度と一致しており、断熱的移行プロセスであることを確認した。
• 捕らえられた原子の寿命は100 ms以上に達し、光学的プローブおよび量子実験に十分な時間を提供する。
• 原子雲の径方向密度プロファイルは、ガウス分布でよく記述されており、光学的深さおよび温度解析に用いられた仮定と整合的である。