[논문 리뷰] Blockade-induced resonant enhancement of the optical nonlinearity in a Rydberg medium

Annika Tebben, Clément Hainaut외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 15.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 25인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 강한 제어 필드에 의해 구동되는 두광자 과정을 통해 전자기 유도 투명성(EIT) 조건 하에서 라이드버그 기체에서 광학 비선형성의 공진적 증폭을 제안한다. 반도체적 프레임워크에서 중간 상태 역학을 명시적으로 모델링함으로써 저자들은 비선형 수용도의 해석적 표현을 유도하였으며, 이는 탐지 주파수와 제어 필드 라비 주파수의 일치 시 강한 비선형 반응 피크를 나타내어 빛-물질 상호작용의 가변적 공간적 형상 조절을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We predict a resonant enhancement of the nonlinear optical response of an interacting Rydberg gas under conditions of electromagnetically induced transparency. The enhancement originates from a two-photon process which resonantly couples electronic states of a pair of atoms dressed by a strong control field. We calculate the optical response for the three-level system by explicitly including the dynamics of the intermediate state. We find an analytical expression for the third order susceptibility for a weak classical probe field. The nonlinear absorption displays the strongest resonant behavior on two-photon resonance where the detuning of the probe field equals the Rabi frequency of the control field. The nonlinear dispersion of the medium exhibits various spatial shapes depending on the interaction strength. Based on the developed model, we propose a realistic experimental scenario to observe the resonance by performing transmission measurements.

연구 동기 및 목표

• 표준 아디아바틱 근사 이외의 조건에서 상호작용하는 라이드버그 기체의 비선형 광학 응답을 이해하고 모델링하기.
• 라이드버그 상호작용과 제어 필드 역학 간의 상호작용으로 인해 발생하는 새로운 이중체, 이중광자 공진을 규명하고 특성화하기.
• 중간 상태 역학을 포함하는 반고전적 이론을 개발하여 비선형 수용도의 해석적 예측 가능하게 하기.
• 제어 필드 라비 주파수와 탐지 주파수의 비율을 조절함으로써 비선형 응답이 크게 증폭되고 공간적으로 형상 조절될 수 있음을 보여주기.
• 예측된 공진을 실제 원자 밀도 분포에서 관측할 수 있는 실현 가능한 투과도 측정 프로토콜을 제안하기.

제안 방법

• EIT 조건 하에서 라이드버그 원자에 대한 삼준태계 모델을 수립하고, 탐지 주파수의 오프셋 ∆ 및 라비 주파수 Ωp와 Ωc를 포함한 탐지 및 제어 필드를 고려한다.
• 대칭 기저에서 쌍-상태 해밀토니안을 구성하고, 원자 간의 거리 함수로 나타나는 라이드버그 상호작용 V(R)를 명시적으로 포함한다.
• 계의 옷은 고유상태를 유도하며, 특히 강한 상호작용 조건에서 이중으로 자극된 부분공간과 |β₀⟩ 상태의 발생에 초점을 맞춘다.
• 약한 탐지 필드에 대해 맥스웰-블로흐 방정식을 해결하고, 비선형 수용도 χ⁽³⁾에 대한 해석적 표현을 도출한다.
• 비균일한 원자 밀도를 고려하기 위해 가우시안 분포를 모델링하고, 탐지 투과도에 대한 결과 미분방정식을 해결한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 다양한 상호작용 강도와 오프셋에서 공진 조건 Ωc/∆ = |δ|를 매핑한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라이드버그-EIT 시스템에서 중간 상태 역학은 비선형 광학 응답의 공진적 증폭을 이끌 수 있는가?
• RQ2 중간 상태 역학을 명시적으로 포함할 경우 비선형 수용도 χ⁽³⁾의 해석적 형태는 무엇인가?
• RQ3 이중광자 공진 조건은 제어 필드 라비 주파수와 탐지 주파수 오프셋의 비율에 어떻게 의존하는가?
• RQ4 Ωc/∆를 조절함으로써 비선형 흡수의 공간적 프로파일을 조절할 수 있는가?
• RQ5 비균일한 원자 밀도를 가진 실제 실험 설정에서도 예측된 공진이 관측 가능한가?

주요 결과

• 탐지 주파수 오프셋 δ가 제어 필드 라비 주파수 Ωc와 일치할 때 비선형 광학 응답이 공진적으로 증폭되며, 이는 비선형 흡수의 날카운 피크를 유도한다.
• 비선형 수용도 χ⁽³⁾에 대한 해석적 표현이 도출되었으며, 이는 1/γe 스케일링을 보이며, 장수명 중간 상태(예: 스트론티움에서와 같이)가 비선형성을 크게 증폭시킬 수 있음을 시사한다.
• 상호작용을 고려할 경우 공진 조건은 |Ωc/∆| = 1에서 |Ωc/∆| ≈ 0.6으로 이동하며, 이는 |rr⟩ 상태의 에너지 수준 이완 때문인 것으로 나타났다.
• 비선형 응답의 공간적 프로파일은 상호작용 강도에 따라 다样的한 형태를 보이며, Ωc/∆ ≠ 1일 경우 유한한 원자 간격에서 흡수 최소값이 나타난다.
• 가우시안 원자 밀도 분포에서의 투과도 측정 결과 여전히 공진을 확인할 수 있어, 현재의 실험 장치로도 실현 가능함을 확인한다.
• 비율 Ωc/∆는 효과적인 빛의 위치 에너지의 공간적 의존성을 조절하는 데 사용될 수 있으며, 이는 광자 상호작용 제어를 가능하게 한다.