[論文レビュー] Observation of oscillatory Raman gain associated with two-photon Rabi oscillations of nanofiber-coupled atoms

Christian Liedl, Sebastian Pucher+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2022

Quantum optics and atomic interactions参考文献 33被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、プローブ光と自由空間の結合光によって駆動される二光子ラビ振動状態に置かれたナノファイバー結合セシウム原子系において、振動的ラーマン増幅と吸収を実証した。原子が媒介するコherent光子交換を活用することで、測定された二光子ラビ周波数2π × 2.63(3) MHzを用いて一般化ラビ周波数スケーリングを確認し、オートラー＝タウンズ分裂を用いた結合強度のキャリブレーションを可能にした。

ABSTRACT

Quantum emitters with a $\Lambda$-type level structure enable numerous protocols and applications in quantum science and technology. Understanding and controlling their dynamics is, therefore, one of the central research topics in quantum optics. Here, we drive two-photon Rabi oscillations between the two ground states of cesium atoms and observe the associated oscillatory Raman gain and absorption that stems from the atom-mediated coherent photon exchange between the two drive fields. The atoms are efficiently and homogeneously coupled with the probe field by means of a nanofiber-based optical interface. We study the dependence of the two-photon Rabi frequency on the system parameters and observe Autler-Townes splitting in the probe transmission spectrum. Beyond shedding light on the fundamental processes underlying two-photon Rabi oscillations, our method could also be used to investigate (quantum) correlations between the two drive fields as well as the dynamical establishment of electromagnetically induced transparency.

研究の動機と目的

• 主な目的は、Λ型原子系における二光子ラビ振動に関連するコherentで振動的ラーマン増幅および吸収ダイナミクスを観測し、特徴づけることである。
• 研究の目的は、セシウム原子をナノファイバーに導かれたプローブ光に効率的かつ均一に結合させ、光-物質相互作用を強化することである。
• 重要な目的は、プローブ光強度および二光子オフセット周波数の関数として二光子ラビ周波数を測定し、理論的予測を検証することである。
• 著者らは、プローブ透過スペクトルにおけるオートラー＝タウンズ分裂を用いて、結合ラビ周波数をキャリブレーションすることを目的としている。
• 本研究は、駆動場の量子相関に関する未来的な研究や、電磁誘導透過性の動的形成を可能にする。

提案手法

• レーザー冷却されたセシウム原子集合体が、ブルー・デチューニングされた走行波とレッド・デチューニングされたステーショナリーワイブトラップ場の併用により、テーパー状に加工された光ファイバーのウェスト部に捕らえられる。
• プローブレーザー光はファイバーによってガイドされ、エバネッセント場を介して原子と結合する。一方、結合光は自由空間に印加され、二光子ラビ遷移を駆動する。
• 有効な二準位系において完全な人口反転状態に初期化されることで、結合光をオンにした際にラーマン増幅が観測可能となる。
• 時間分解能を有するプローブ透過を、単一光子カウンティングモジュールを用いて測定し、増幅および吸収の振動的ダイナミクスを追跡する。
• 二光子ラビ周波数は、有効ラビ周波数Ω̃、減衰率Γ̃、光学的深さÕDを自由パラメータとして持つ一般化ラビモデルに測定された透過振動をフィッティングすることで抽出される。
• 結合強度は、プローブ透過スペクトルに観測されたオートラー＝タウンズ分裂を用いてキャリブレーションされ、ラビ周波数スケーリングの独立的検証が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノファイバー結合原子系において、二光子ラビ周波数はプローブ光強度および二光子オフセット周波数とどのようにスケーリングするか？
• RQ2 Λ型系におけるコherentな二光子ラビ振動の間、振動的ラーマン増幅および吸収が実験的に観測可能か？
• RQ3 測定されたラビ周波数は、一般化ラビ周波数Ω̃g = (Ω̃² + δ̃²)¹/²とどの程度一致するか？
• RQ4 プローブ透過スペクトルにおけるオートラー＝タウンズ分裂を用いて、結合ラビ周波数を信頼性高くキャリブレーション可能か？
• RQ5 透過ダイナミクスへのフィッティングから導かれる有効光学的深さおよび励起状態人口はそれぞれどの程度か？

主な発見

• 二光子ラビ周波数は実験的に2π × 2.63(3) MHzとして測定され、独立して推定された2π × 2.83 MHzと良好に一致した。
• 振動的プローブ透過は、透過係数が約2.0に達するまでラーマン増幅を示し、その後増幅と吸収の間でコherentな振動を示した。
• 二光子ラビ周波数は一般化ラビ周波数Ω̃g = (Ω̃² + δ̃²)¹/²に従い、共振時におけるフィットからΩ̃ = 2π × 2.12(4) MHzが得られた。
• ラビ周波数はプローブ光強度に√Ppに比例して増加し、フィットパラメータA = 2π × 138(3) kHz/√pWが得られ、理論的期待と整合的であった。
• 有効光学的深さはÕD = 5.6(2)として決定され、平均励起状態人口はρee = 0.100(1)として同定された。
• プローブ透過スペクトルにオートラー＝タウンズ分裂が観測され、結合ラビ周波数のキャリブレーションが可能となり、β = 0.0171(8)の値が得られた。理論的予測と合理的に一致した。