[論文レビュー] Mollow triplet in cold atoms

Luis Ortiz-Gutiérrez, R Teixeira+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2019

Quantum optics and atomic interactions参考文献 42被引用数 33

ひとこと要約

本論文は、ヘテロダイン分光法と強度相関測定を用いて、冷媒に閉じ込められた ⁸⁵Rb 原子クラウドにおいて、Mollow トリプレットの最初の定量的観測を報告している。強い円偏光レーザー光を用いて ⁸⁵Rb クラウドを駆動し、非一様な幅の拡大を最小限に抑えることで、実験と理論の間で優れた一致が得られ、トリプレットのスペクトル構造が確認されるとともに、温度およびビームサイズがスペクトルに与える影響が明らかになった。

ABSTRACT

In this paper, we measure the spectrum of light scattered by a cold atomic cloud driven by a strong laser beam. The experimental technique is based on heterodyne spectroscopy coupled to single-photon detectors and intensity correlations. At resonance, we observe the Mollow triplet. This spectrum is quantitatively compared to the theoretical one, emphasizing the influence of the temperature of the cloud and the finite-size of the laser beam. Off resonance measurements are also done showing a very good agreement with theory.

研究の動機と目的

• Doppler 幅が小さく、光学密度が高い冷媒原子クラウドにおいて Mollow トリプレットを観測すること。
• 温度および有限なレーザー光ビームサイズに起因する非一様な幅を考慮することで、実験と理論の定量的一致を達成すること。
• 単一光子検出およびビート周波数技術を用いて、信号対雑音比の高い多原子系において Mollow トリプレットを観測する可能性を示すこと。
• 偏光および強度変調が、Mollow トリプレット信号の可視性および忠実度に与える影響を調査すること。
• 交互に切り替わるレーザー光ビームを用いることで、定常波効果や空間的 Rabi 周波数の変調を回避し、二準位系に類似したクリアな環境を実現すること。

提案手法

• 高感度で散乱光スペクトルを検出可能なビート周波数技術を用いたヘテロダイン分光法。
• 時間タグ付きのavalanche photodiodes (APDs) を用いた単一光子検出により、光子数カウントおよび強度相関測定を実施。
• 逆方向に進む、同一の円偏光を持つ交互なレーザー光ビームを用いて、定常波の形成を回避し、均一な Rabi 駆動を確保。
• マスタースレーブオフセット方式によるレーザー周波数ロックにより、周波数のずれと出力の正確な制御を実現。
• λ/2 および λ/4 波プレートを用いた偏光制御により、⁸⁵Rb における F=3 → F'=4 の一つの閉じた遷移を選択。
• 偏光維持型単モードファイバーを用いて散乱光を収集し、局所発振子と混合させてヘテロダイン検出を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非一様な幅が最小限に抑えられた冷媒原子クラウドにおいて、Mollow トリプレットを定量的に観測できるか？
• RQ2 原子クラウドの温度および有限なレーザー光ビームサイズは、Mollow トリプレットのスペクトル形状にどのように影響するか？
• RQ3 多原子系において、偏光および強度変調が Mollow トリプレットのスペクトル的特徴を保持する役割を果たすか？
• RQ4 密度の高い原子クラウドにおいて、多重散乱や協同効果が Mollow トリプレットをどの程度変更するか？
• RQ5 非共鳴領域における、測定された弾性散乱および非弾性散乱の強度は、理論的予測とどの程度一致するか？

主な発見

• 共鳴領域で明確に Mollow トリプレットが観測され、中央ピークと対称的な二つのサイドバンドが確認され、冷媒原子クラウドにおける期待される三ピーク構造が裏付けられた。
• 温度および有限ビームサイズに起因する非一様な幅を考慮した上で、実験と理論の間で定量的一致が達成された。
• 非共鳴測定では、測定された弾性散乱および非弾性散乱の強度が理論的予測と優れた一致を示した。
• 交互に切り替わる円偏光レーザー光ビームの使用により、定常波効果が効果的に回避され、均一な Rabi 駆動が維持された。これは、クリアな Mollow トリプレットを観測する上で不可欠であった。
• ヘテロダイン検出および単一光子カウントを組み合わせた実験装置により、高感度が実現され、弱い散乱光の高信号対雑音比での検出が可能になった。
• 結果として、冷媒原子クラウドが、デコherence が最小限に抑えられ、高精度で Mollow トリプレットを研究するための実用的で優れたプラットフォームであることが示された。