[論文レビュー] Non-reciprocal Cavity Polariton with Atoms Strongly Coupled to Optical Cavity

Pengfei Yang, Ming Li+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2019

Mechanical and Optical Resonators参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、複数のルビジウム原子を光学ファブリ・ペロー共振器に強く結合させた磁場を要しない非相反性キャビティポラリトン系を提案する。原子をスピン極化状態に準備することで時間反転対称性が破られ、外部磁場がなくともゼロ磁場下で30 dBを超える隔離比を達成する単光子レベルの光学隔離が可能となり、原子状態制御により隔離方向を再設定可能であることを実証した。

ABSTRACT

Breaking the time-reversal symmetry of light is of great importance for fundamental physics and has attracted increasing interest in the study of non-reciprocal photonic devices. Here, we experimentally demonstrate a chiral cavity QED system with multiple atoms strongly coupled to a Fabry-Perot cavity. By polarizing the internal quantum state of the atoms, the time-reversal symmetry of the atom-cavity interaction is broken. The strongly coupled atom-cavity system can be described by non-reciprocal quasiparticles, i.e., the cavity polariton. When it works in the linear regime, the inherent nonreciprocity makes the system work as a single-photon-level optical isolator. Benefiting from the collective enhancement of multiple atoms, an isolation ratio exceeding 30~dB on the single-quanta level (~0.1 photon on average) is achieved. The validity of the non-reciprocal device under zero magnetic field and the reconfigurability of the isolation direction are also experimentally demonstrated. Moreover, when the cavity polariton works in the nonlinear regime, the quantum interference between polaritons with weak anharmonicity induces non-reciprocal nonclassical statistics of cavity transmission from coherent probe light.

研究の動機と目的

• 外部磁場を用いない光子系における磁場フリーな光学非相反性を実現すること。
• 原子スピン状態を用いてキャビティ量子電磁力学における時間反転対称性を破ること。
• 複数原子の集団的強い結合を介して高精度な単光子レベルの光学隔離を実現すること。
• 原子ゼーマン状態の制御により隔離方向を動的に再設定可能にすること。
• 弱い非調和性下でのキャビティ透過関数における非線形な非古典的統計を調査すること。

提案手法

• 冷やした87Rb原子のアンサンブルをスピン極化状態の重ね合わせ状態に置き、ファブリ・ペロー共振器と強く結合させる。
• 459 nmのポンプレーザーを用いて特定のゼーマン準位（例：mF = -4, -3）に原子を準備することで時間反転対称性を破る。
• |6S1/2, F=4⟩ → |6P3/2, F=3⟩遷移に共鳴するプローブ場をσ⁻偏光で入射し、透過度を測定する。
• 原子状態のダイナミクスをレート方程式でシミュレートし、ゼーマン状態の分布と結合定数から有効コープスリティ C_eff^± を計算する。
• 有効ハミルトニアンと入出力理論を用いてキャビティ透過関数をモデル化し、主文書の式(1)に従って透過度を計算する。
• 実験的測定による隔離比とスイッチングダイナミクスを理論的シミュレーション（原子分布および透過度の時間発展）と比較して妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場や交流駆動を用いずに、キャビティ-QED系で非相反性光透過を実現できるか？
• RQ2 集団的原子結合が単光子レベルの非相反性隔離をどのように強化するか？
• RQ3 原子内部状態の制御により隔離方向を動的に再設定可能か？
• RQ4 原子スピン極化がキャビティ光子の時間反転対称性を破る役割を果たすか？
• RQ5 ポラリトンにおける量子干渉と弱い非調和性が、キャビティ出力における非相反性な非古典的統計をどのように生じさせるか？

主な発見

• 平均入射光子数が約0.1の条件下で、30 dBを超える隔離比を達成し、単光子レベルの非相反性を実証した。
• 外部磁場を一切用いずに、原子スピン極化による時間反転対称性の破れに依存した非相反性を実現した。
• 459 nmポンプレーザーによる原子ゼーマン状態分布の切り替えにより、隔離方向を再設定可能であることを示した。
• 原子をmF = -4からmF ≥ -2にポンプした場合、強い真空ラビ分裂に起因し、プローブ透過がミリ秒スケールで急速に遮断された。
• mF = 4から出発する場合、すべての原子を再びmF = -4および-3に再極化する必要があるため、透過のオンスイッチングは遅延した。
• 原子分布および有効コープスリティの理論的シミュレーションが実験結果と一致し、モデルおよび制御メカニズムの妥当性を確認した。