[논문 리뷰] Laser-cooled atoms inside a hollow-core photonic-crystal fiber

Michal Bajcsy, Sebastian Hofferberth외 6명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2011. 04. 27.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 레이저 냉각된 리비듐 원자를 단일 모드 공액 광섬유(photonic-crystal fiber, PCF)에 효율적으로 로딩하여, 원자들이 원거리 조정된 광학적 디폴 타래에 갇히고 공명 유도 광선에 의해 조사되는 것을 보여준다. 이 방법은 이전 연구보다 6배 높은 약 180의 광학 깊이를 달성하며, 소수의 광자 수준에서 양자광학 응용을 위한 강한 원자-광자 상호작용을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We describe the loading of laser-cooled rubidium atoms into a single-mode hollow-core photonic-crystal fiber. Inside the fiber, the atoms are confined by a far-detuned optical trap and probed by a weak resonant beam. We describe different loading methods and compare their trade-offs in terms of implementation complexity and atom-loading efficiency. The most efficient procedure results in loading of ~30,000 rubidium atoms, which creates a medium with optical depth ~180 inside the fiber. Compared to our earlier study this represents a six-fold increase in maximum achieved optical depth in this system.

연구 동기 및 목표

• 레이저 냉각된 원자를 공액 광섬유에 안정적으로 로딩하는 방법을 개발하기 위해.
• 섬유 내의 제한된 원자 군집에서 높은 광학 깊이를 확보하여 강한 빛-물질 상호작용을 가능하게 하기 위해.
• 양자정보 및 비선형광학 응용을 위해 갇힌 원자의 온도, 수명 및 공간 분포를 특성화하기 위해.
• 같은 섬유를 통해 빛을 유도하여 원자를 동시에 갇히고 조사할 수 있도록 하여 통합 광학-원자 시스템을 구현하기 위해.
• 이전의 튜브 기반 시스템의 한계를 극복하기 위해, 낮은 손실과 단일 모드 유도를 동시에 제공하는 단일 모드 PCF를 사용하기 위해.

제안 방법

• 원자들은 처음으로 자기장-광학 트랩(MOT)에서 냉각된 후, PCF의 공액 핵심에 집속된 가우시안 레이저 빛에 의해 형성된 섬유 결합 원거리 조정 광학 디폴 트랩으로 이동된다.
• 디폴 트랩은 1064 nm 레이저 빛이 PCF 핵심에 강하게 집속되어 원형으로 원자들을 둘러싸는 횡방향 잠금을 생성함으로써 만들어진다.
• 780 nm에서의 약한 공명 조사 빛이 동일한 PCF로 커플링되어 원자 군집을 조사하며, 빛은 광학 밴드 갭 효과를 통해 공액 핵심을 통해 유도된다.
• 로딩 효율은 MOT 크기, 트랩 빛 강도, 그리고 MOT 해제 시점에 대한 디폴 트랩 활성화 시점 조절을 통해 최적화된다.
• 원자들을 섬유 트랩에서 해제하고 다시 MOT로 재포획하는 실험을 통해 횡방향 온도와 클러스터 크기를 추출한다.
• 광학 깊이는 측정된 조사 빛 투과도에서 계산되며, 횡방향 밀도 프로파일은 가우시안으로 가정된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공액 광섬유 내에 갇힌 레이저 냉각 원자 군집에서 도달 가능한 최대 광학 깊이는 얼마인가?
• RQ2 MOT 크기 및 트랩 빛 강도와 같은 실험적 변수에 따라 레이저 냉각 원자가 PCF로 로딩되는 효율은 어떻게 달라지는가?
• RQ3 원자들이 섬유 기반 디폴 트랩으로 이동한 후의 온도와 공간 분포는 어떠한가?
• RQ4 같은 PCF를 통해 트랩 빛과 조사 빛을 효율적으로 유도하면서도 고강도의 원자-빛 상호작용을 유지할 수 있는가?
• RQ5 로딩 과정은 어느 정도 단서적으로 진행되며, 원자 클러스터의 위상공간 밀도는 이동 중에 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 가장 효율적인 로딩 절차를 통해 섬유 핵심 내 약 30,000개의 리비듐 원자가 포획된다.
• 시스템은 약 180의 광학 깊이를 달성하여 이전 유사 시스템에서 보고된 최대값보다 6배 높다.
• 간직된 원자 클러스터의 온도는 약 1.6 mK로 측정되었으며, 횡방향 클러스터 크기는 약 2.2 μm로, 높은 횡방향 구속 정도를 나타낸다.
• 섬유 내 원자 클러스터의 위상공간 밀도는 약 10⁻⁷로, 원래 MOT의 최고 위상공간 밀도와 일치하여 단서적 이동 과정임을 확인한다.
• 간직된 원자들의 수명은 100 ms 이상을 초과하여 광학 조사 및 양자 실험에 충분한 시간을 제공한다.
• 원자 클러스터의 횡방향 밀도 프로파일은 가우시안 분포로 잘 기술되며, 광학 깊이 및 온도 분석에 사용된 가정과 일치한다.