[論文レビュー] Optical wire trap for cold neutral atoms

Philipp Schneeweiß, Fam Le Kien+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2013

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 41被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、133Csに対するチューンアウト波長（880.25 nm）におけるナノファイバー媒金光場から誘導される仮想磁場を用いて、冷たい中性セシウム原子の光学ワイヤトラップを提案する。この手法により、二色光ナノファイバー・トラップと同等のトラップ深さおよび振動数を達成するが、レーザー出力は1桁低い。原子はファイバー表面から100–200 nmの位置に配置可能で、1原子あたりの光学的深さが0.4を超過し、効率的な量子光学インターフェースを実現する。

ABSTRACT

We propose a trap for cold neutral atoms using a fictitious magnetic field induced by a nanofiber-guided light field. In close analogy to magnetic side-guide wire traps realized with current-carrying wires, a trapping potential can be formed when applying a homogeneous magnetic bias field perpendicular to the fiber axis. We discuss this scheme in detail for laser-cooled cesium atoms and find trap depths and trap frequencies comparable to the two-color nanofiber-based trapping scheme but with one order of magnitude lower powers of the trapping laser field. Moreover, the proposed scheme allows one to bring the atoms closer to the nanofiber surface, thereby enabling efficient optical interfacing of the atoms with additional light fields. Specifically, optical depths per atom, $σ_0/A_{ m eff}$, of more than 0.4 are predicted, making this system eligible for nanofiber-based nonlinear and quantum optics experiments.

研究の動機と目的

• ナノファイバー媒金光場を用いた低出力・高効率な冷たい中性原子トラップの開発。
• 従来の二色光ナノファイバー・トラップよりも、原子とファイバーの接近を可能にし、光学インターフェースを強化すること。
• 磁気ワイヤトラップとの類似性を活用し、既存の荷電・冷却技術との互換性を確保すること。
• 非線形光学・量子光学実験に適した、1原子あたりの光学的深さ（σ₀/A_eff > 0.4）を達成すること。
• 実際の磁場を避けることで、散乱と表面由来のデコherenceを最小限に抑えること。

提案手法

• トラップは、133Csに対するチューンアウト波長（880.25 nm）のナノファイバー媒金光場を用い、スカラー光シフトをキャンセルし、ベクトル極化率効果に注目する。
• 原子基底状態のベクトル極化率が、横方向電場の円偏光に起因するi[ℰ*×ℰ]に比例する仮想磁場B^fictを生成する。
• ファイバー軸に垂直な一様な外部磁場バイアスがB^fictと結合し、ゼーマンシフトを介して半径方向のトラップポテンシャルを形成する。
• トラップの深さと振動数は、ベクトル極化率と光強度を用いて計算され、トラップの最小値はファイバー表面から100–200 nmの位置に位置する。
• 軸方向の閉じ込めは、外部の非一様磁場または逆方向に伝搬するファイバーモードを用いて周期的トラップサイトを形成することで実現する。
• 散乱率はスカラーおよびベクトル散乱係数を用いて推定され、D線に近い周波数差に起因し、1–10 s⁻¹の範囲に推定される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノファイバー媒金光場を用いたチューンアウト波長での光学ワイヤトラップは、冷たいセシウム原子を安定的に低出力でトラップ可能か？
• RQ2 この仮想磁場方式により、二色光トラップと比較して達成可能なトラップ深さと振動数はどの程度か？
• RQ3 低自発的散乱を維持しながら、原子をファイバー表面にどの程度近づけられるか？
• RQ4 1原子あたりの光学的深さはどの程度達成可能か？非線形または量子光学実験に十分な水準か？
• RQ5 従来の磁気トラップ技術（例：断熱的荷電、分散的プローブ）は、この光学ワイヤトラップに適応可能か？

主な発見

• 光学ワイヤトラップは、二色光ナノファイバー・トラップと同等のトラップ深さおよび振動数を達成しており、レーザー出力が1桁低い（1.2 mW）にもかかわらず。
• 原子はファイバー表面から100–200 nmの距離に閉じ込められ、通常の二色光トラップと比較して顕著に近接している。
• 1原子あたりの光学的深さσ₀/A_effは最大0.4に達し、量子光学実験における強い光-物質結合を可能にする。
• 自発的散乱率は1–10 s⁻¹と推定され、光強度が低いにもかかわらず、D線に近い周波数差のため、二色光方式と同等の水準を維持している。
• 従来のワイヤトラップに類似した概念的構造のため、断熱的荷電や分散的プローブなどの既存の磁気トラップ技術が適応可能である。
• ジョンソンノイズに起因するスピン反転は、実際の磁場が存在せず、ナノファイバー表面が誘電体であるため、無視できる。