[論文レビュー] Lasing at arbitrary frequencies with atoms with broken inversion symmetry and an engineered electromagnetic environment

Michael Marthaler, Martin Koppenhöfer+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2016

Mechanical and Optical Resonators被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、反転対称性の破れた人工原子を用いた新しいレーザー発振メカニズムを提案する。長距離結合を介した設計された電磁場環境への結合により、多光子遷移が可能となる。スペクトル密度を、原子遷移エネルギーと一致する周波数に鋭いキャビティモードと広帯域の散逸ピークを持つように調整することで、室温でも鋭いモード周波数でのレーザー発振を実現する。これにより、共鳴的多光子過程による有効な反転分布を経て、広帯域THzレーザー発振が可能となる。

ABSTRACT

With the purpose to devise a novel lasing scheme, we consider a two level system with both a transversal and longitudinal coupling to the electromagnetic field. If the longitudinal coupling is sufficiently strong, multi-photon transitions become possible. We assume furthermore that the electromagnetic environment has a spectrum with a single sharp resonance, which serves as a lasing cavity. Additionally, the electromagnetic environment should have a very broad resonance around a frequency which differs form the sharp resonance. We use the polaron transformation and derive a rate equation to describe the dynamics of such system. We find that lasing at the frequency of the sharp mode is possible, if the energy difference of the atomic transition is similar to the sum of the frequencies of both peaks in the spectral function. This allows for the creation of lasing over a large frequency range and may in perspective enable THz lasing at room temperature.

研究の動機と目的

• 任意の周波数でコherentな光放射を実現する新しいレーザー方式の開発。特にTHz帯域における応用を目的とする。
• 対称な原子系に依存する従来のレーザーの制限を克服するため、反転対称性の破れた人工原子を用いる。
• 広帯域の散逸環境と鋭いキャビティモードを併せ持つ環境の特性を活用し、室温でもレーザー発振を実現する。
• 縦方向結合による多光子遷移が、強い外部ポンピングを要せずとも有効な反転分布を生成できることを示す。

提案手法

• 系は、電磁場への横方向および縦方向結合を有する二準位原子としてモデル化され、縦方向結合が多光子遷移を可能にする。
• 電磁場環境は、原子遷移エネルギーからずれた周波数にピークを持つ鋭い共鳴（レーザー・キャビティ）と広帯域共鳴（散逸バスタブ）を有するように設計される。
• 系とバスタブの結合を分離し、遷移率の解析を簡略化するために、ポラロン変換をハミルトニアンに適用する。
• 遷移のダイナミクスを記述するためのレート方程式を導出する。低温の熱的バスタブを仮定し、光子の放出および吸収率を計算する。
• 環境のスペクトル関数は、ファノ型共鳴と広帯域連続体を用いてモデル化され、キャビティおよびバスタブへの結合を調整可能となる。
• 弱結合および強結合の2つの状態において、平均光子数の解析的解を導出する。それぞれ、共鳴条件および低温近似に基づく近似を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反転対称性の破れた人工原子と設計された電磁場環境を用いることで、任意周波数でのレーザー発振が可能か？
• RQ2 縦方向結合が多光子遷移をどのように可能にし、有効な反転分布を支えるのか？
• RQ3 鋭いキャビティモード周波数でのレーザー発振を維持するための電磁場環境のスペクトル密度に必要な条件は何か？
• RQ4 このメカニズムは、特に量子ドットや超伝導キュービット系において、室温でもTHz帯域のレーザー発振を可能にするか？
• RQ5 広帯域の散逸バスタブが、キャビティ内の長寿命光子を維持しつつ、光子放出を可能にする役割は何か？

主な発見

• 原子遷移エネルギーΔEがキャビティ周波数Ωと広帯域スペクトル密度のピーク周波数ωLの和に一致する場合、すなわちΔE ≈ Ω + ωLのとき、鋭いキャビティモード周波数でのレーザー発振が可能となる。
• キャビティ内の平均光子数は⟨n⟩ ≈ (Γ²ωL)/(2εCg²sin²θcos²θ) × exp(4εCcos²θ/ωL)で与えられ、結合強度の増加に伴い指数関数的に増幅される。
• 大光子数状態では、Γ+ ≫ κを満たす必要があり、有効結合定数gはg²sin²θ ≪ Γ²/⟨n⟩を満たす必要がある。これにより、キャビティモードがバスタブモードを支配するようになる。
• kBT ≪ ωLの条件下では、室温でもレーザー発振が可能であり、量子ドットや超伝導キュービット系におけるTHzレーザー発振の実現が期待される。
• 光子数は比εCcos²θ/ωLに指数的に依存しており、環境のスペクトル形状を調整することで、レーザー効率を顕著に向上させられることを示す。
• 導出されたレート方程式およびポラロン変換アプローチにより、非マークフ・構造的環境における多光子過程および遷移率の体系的解析が可能となる。