[論文レビュー] Repulsive Casimir-Polder potentials of low-lying excited states of a multilevel alkali-metal atom near an optical nanofiber

Fam Le Kien, Danil Kornovan+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2021

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect参考文献 74被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、全遅延近似を用いた手法により、光学ナノファイバーに近接する多準位ルビジウム原子の低エネルギー励起状態におけるカシミール＝ポルダー力について検討している。非励起状態とは異なり、特定の励起状態、特に8S₁/₂状態は、放射波と反射波の干渉により、反発的で振動的なポテンシャルを示し、ファイバー表面からの距離150 nmで約17 µKの最大反発力に達する。

ABSTRACT

We study the Casimir-Polder potential of a multilevel alkali-metal atom near an optical nanofiber. We calculate the mean potential of the atom in a fine-structure level. We perform numerical calculations for the Casimir-Polder potentials of the ground state and a few low-lying excited states of a rubidium atom. We show that, unlike the potential of the ground state, which is negative and attractive, the potential of a low-lying excited state may take positive values, oscillate around the zero value with a decaying amplitude, and become repulsive in some regions of atom-to-surface distances. We observe that, for a nanofiber with a radius of 200 nm, the potential for the state $8S_{1/2}$ of a rubidium atom achieves a positive peak value of about 17 $\mu$K at a distance of about 150 nm from the fiber surface, and becomes rather strongly repulsive in the region of distances from 150 to 400 nm. We also calculate the nanofiber-induced shifts of the transition frequencies of the atomic rubidium $D_2$ and $D_1$ lines. We find that the shifts are negative in the region of short distances, become positive, and oscillate around the zero value with a decaying amplitude in the region of large distances.

研究の動機と目的

• 非非遅延近似を越えて、光学ナノファイバーに近接する多準位アルカリ金属原子のカシミール＝ポルダー力の研究。
• 遅延効果と波の干渉が、低エネルギー励起状態に反発的カシミール＝ポルダー力が生じるかどうかを特定すること。
• ルビジウムのD1およびD2遷移に及ぼされるナノファイバーによる周波数シフトの計算。
• 実験的応用を想定した、位置依存ポテンシャルおよびシフトの定量的分析の提供。

提案手法

• 全遅延グリーン関数テンソル形式を用いて、誘電体ナノファイバーに近接する多準位アルカリ金属原子のカシミール＝ポルダー力の計算。
• 磁気準位の角運動量和を解析的に実行するために、3jおよび6j記号の和則を適用。
• ルビジウム-87の5S₁/₂基底状態および低エネルギー励起状態（例：8S₁/2）について数値計算を実施。
• グリーン関数の散乱部G(sc)を用いて、非共鳴および共鳴寄与のポテンシャルを計算。
• ナノファイバーを半径200 nm、実験データから得た屈折率を持つ誘電体円柱として取り扱った。
• 原子から表面までの距離関数として、D1およびD2線の周波数シフトを計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多準位アルカリ金属原子の低エネルギー励起状態は、光学ナノファイバーに近接する際に反発的カシミール＝ポルダー力を感じるか？
• RQ2 遅延効果は、励起状態におけるカシミール＝ポルダー力の符号および振動的挙動を、基底状態と比較してどのように変化させるか？
• RQ3 半径200 nmのナノファイバーに近接するルビジウムの8S₁/2状態において、反発的ポテンシャルピークの大きさと空間的範囲は何か？
• RQ4 D1およびD2遷移周波数のナノファイバー誘起シフトは距離に依存してどのように変化するか。また、振動を伴ってゼロをまたぐか？
• RQ5 放射波と反射波の干渉効果は、励起状態において非単調で振動的ポテンシャルを生じる要因となる程度はいかほどか？

主な発見

• ルビジウムの8S₁/2状態におけるカシミール＝ポルダー力は、ナノファイバー表面からの距離が約150 nmの位置で、約17 µKの正のピークに達する。
• 8S₁/2状態のポテンシャルは、ファイバー表面からの距離が150–400 nmの範囲で強く反発的になる。
• 低エネルギー励起状態のポテンシャルは、遅延効果と波の干渉により、振幅が減衰するゼロの周りの振動を示す。
• D1およびD2遷移周波数のシフトは、短距離では負であり、長距離では正に変わり、振幅が減少する振動を示す。
• 基底状態のポテンシャルは引き続き引力的で、非周期的であり、励起状態で観察される複雑な挙動とは対照的である。
• 結果は、ナノファイバーに近接する励起状態原子が顕著な反発的力を感じることを示しており、量子制御および捕集の新たな可能性を提供する。