[論文レビュー] Non-linear magneto-optic and self polarization rotation by superposition of states

Swarupananda Pradhan, A. Kani+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2012

Quantum optics and atomic interactions被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、二光子ラマン励起によって誘起されたハイパーファイン状態の干渉的重ね合わせを介して、原子系において非線形な磁気光学効果および自己偏光回転を示している。干渉的励起状態捕獲に起因する鋭いスペクトル特徴が観測され、密度行列シミュレーションにより、レーザーの偏光および周波数オフセットの変動条件下でも実験的信号を正確に再現している。

ABSTRACT

We report the observation of enhanced magneto-optic rotation as the coherent superposition of different hyperfine states is established in an atomic sample. The polarization rotation near the two photon Raman resonance condition appears to have an analogous characteristic to the well established Faraday rotation observed in the vicinity of a single photon resonance, however it contains sharp features arising from coherent population trapping state. The profile of the two photon rotation signal exhibits interesting features for slightly imbalanced circular polarization component of the laser field as well as for on and away from the single photon resonance. The investigation can be used to explore the effect of superposition states generated by coherent population trapping on optical activity. A complete density matrix based numerical simulation that consistently captures all the relevant features of the experiment is presented.

研究の動機と目的

• 原子系におけるハイパーファイン状態の干渉的重ね合わせから生じる非線形磁気光学効果を調査すること。
• 二光子ラマン励起下での干渉的励起状態捕獲が偏光回転に与える影響を調査すること。
• レーザー場の右回り偏光成分と左回り偏光成分の不釣り合いが生じた場合の偏光回転のスペクトル応答を特徴づけること。
• 完全な密度行列形式を用いて実験的観測をモデル化・再現すること。
• 単一光子共鳴条件の内外で偏光回転の挙動がどのように変化するかを検討すること。

提案手法

• 原子蒸気中のハイパーファイン状態を干渉的に結合する二光子ラマン励起方式を用いる。
• 原子系全体のコherencesと励起状態分布のダイナミクスをモデル化するため、密度行列アプローチを採用する。
• レーザー周波数オフセットおよび相対的右回り・左回り偏光成分の関数としての偏光回転をシミュレートする。
• 磁場を印加して、線形応答を超える磁気光学回転効果を観測する。
• シミュレートされた回転プロファイルと実験データを比較し、モデルの妥当性を検証する。
• 非線形信号生成の主要メカニズムとして、干渉的励起状態捕獲を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイパーファイン状態の干渉的重ね合わせは、原子系における磁気光学回転にどのように影響を与えるか？
• RQ2 干渉的励起状態捕獲は、二光子偏光回転のスペクトル特徴をどのように形成するか？
• RQ3 レーザー場の右回り・左回り偏光成分の不釣り合いは、観測される回転信号にどのように影響を与えるか？
• RQ4 系が単一光子共鳴条件の内外にある場合、偏光回転プロファイルはどのように変化するか？
• RQ5 密度行列モデルは、非線形磁気光学および自己偏光回転特徴を定量的に再現できるか？

主な発見

• ハイパーファイン状態の干渉的重ね合わせが確立されると、線形ファラデー回転効果を上回る磁気光学回転が観測される。
• 二光子回転信号は、特に二光子共鳴付近で干渉的励起状態捕獲に起因する鋭いスペクトル特徴を示す。
• レーザー場の右回り・左回り偏光成分の不釣り合いは、非対称的かつ構造的な回転プロファイルを引き起こす。
• 回転信号は、単一光子共鳴条件の内外で顕著な差を示し、周波数オフセットに非自明な依存性を示す。
• 密度行列シミュレーションは、非線形効果および干渉効果を含め、すべての実験的特徴を正確に捉えている。
• 本系は自己偏光回転を示し、プローブ光の偏光が、自己が準備した干渉的原子状態と相互作用することによって回転する。