[論文レビュー] Plasmonic surface traps with arbitrary shape for cold atoms

Matthias Mildner, Andreas Horrer+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 24被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、赤および青にデチューンされたレーザーからのプラズモン強化型エバネッセント波を用いて、空間的に調整された金ナノ層厚さにより任意形状のポテンシャルランドスケープを実現するプラズモン的表面トラップを提案する。シミュレーションと実験により、10 μKを超えるトラップ深さ、約20–30 kHzのトラップ周波数、および超低温原子の反射を用いた表面ポテンシャルの検出に成功し、今後の原子の積み込みおよび量子シミュレーションプラットフォームへの応用に向けた設計の妥当性が検証された。

ABSTRACT

This paper reports on conceptual and experimental work towards the realization of plasmonic surface traps for cold atoms. The trapping mechanism is based on the combination of a repulsive and an attractive potential generated by evanescent light waves that are plasmonically enhanced. The strength of enhancement can be locally manipulated via the thickness of a metal nanolayer deposited on top of a dielectric substrate. Thus, in principle arbitrary potential landscapes can be generated. We present simulations of a plasmonic lattice potential using a gold grating with sinusoidally modulated thickness. Experimentally, a first plasmonic test structure is presented and characterized. Furthermore, the surface potential landscape is detected by reflecting ultracold atom clouds from the test structure revealing the influence of both evanescent waves. A parameter range is identified, where stable traps can be expected.

研究の動機と目的

• 超低温原子のための任意形状の表面トラップを生成する手法の開発。
• 金ナノ層厚さの局所的変調により、トラップポテンシャルランドスケープの正確な空間的制御の実現。
• 超低温原子の反射を用いて、プラズモン的表面ポテンシャルの形成と検出を実験的に示すこと。
• 非協同的散乱率が低い安定なパラメータ領域の同定。
• 今後の量子シミュレーションおよびハイブリッド量子デバイスのための、これらのサブ波長トラップへの冷たい原子の積み込みに道筋をつけること。

提案手法

• 誘電体基板上に堆積した薄い金層で表面プラズモン極化波を励起するためのKretschmann設定を用いる。
• 異なる波長（765 nmおよび850 nm）の2つの逆向きのレーザービームを用いて、ブルーおよびレッドにデチューンされたエバネッセント波を生成する。
• サイン波状に変調された金層厚さを用いて、空間的に調整されたプラズモン強化を実現し、ポテンシャルランドスケープを形状化する。
• 有限要素法を用いてシミュレーションを行い、トラップ深さ、周波数、障壁高さを予測する。
• ビームのずれを関数として反射した原子数を測定し、表面ポテンシャルを測定する。
• 将来的な低原子数検出のため、近共振光の反射に基づく分散的検出方式を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的に変調された金ナノ層厚さにより、任意形状のプラズモン的表面トラップを実現できるか？
• RQ2 このようなプラズモン的ポテンシャル内での超低温原子のトラップ深さと安定性はどの程度達成可能か？
• RQ3 ビームのずれと強度比は、安定なトラップ形成にどのように影響するか？
• RQ4 超低温原子の反射を用いて、表面ポテンシャルランドスケープを実験的に検証できるか？
• RQ5 この手法は、サブ波長格子形成においてどのような制限を受けるか？

主な発見

• シミュレーションにより、10 μKを超えるトラップ深さ、約26.4 kHzのトラップ周波数、10 s⁻¹未満の非協同的散乱率が得られ、超低温原子実験に適していることが示された。
• 900 nm周期、障壁高さ約1 μKの一次元プラズモン格子をシミュレーションし、x方向で約1 kHzのトラップ周波数を達成した。
• 実験的特徴付けにより、200 nm周期の金グレーティング上での表面プラズモン励起が、平らな金表面と同等の効率で発生した。
• 超低温原子の反射測定により、ビームのずれが約50 μmの位置で反射原子数の最小値を示し、理論的予測と一致した。
• 本手法により、2次元パターンやフィボナッチ格子を含む、複雑なポテンシャルランドスケープの設計が原理的に可能である。
• 現在の装置はグレーティング周期が小さいことにより制限を受けており、今後の研究では、トラップ間隔を短くするために定常波の導入を検討する予定である。