[논문 리뷰] Lasing at arbitrary frequencies with atoms with broken inversion symmetry and an engineered electromagnetic environment

Michael Marthaler, Martin Koppenhöfer외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 07.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 대칭성이 깨진 인공 원자와 공학적으로 설계된 전자기 환경을 이용한 새로운 레이저 작동 메커니즘을 제안한다. 이 메커니즘은 종방향 결합을 통해 다중 광자 전이를 가능하게 하며, 스펙트럼 밀도를 조절하여 날카운 레이저 공진모드와 원자 전이 에너지와 일치하는 주파수에서 뾰족한 소산 피크를 포함시킴으로써 실온에서도 레이저 작동을 달성한다. 이는 공명 다중 광자 과정을 통한 효과적 인version을 통해 광역대의 테라헤르츠 레이저를 가능하게 한다.

ABSTRACT

With the purpose to devise a novel lasing scheme, we consider a two level system with both a transversal and longitudinal coupling to the electromagnetic field. If the longitudinal coupling is sufficiently strong, multi-photon transitions become possible. We assume furthermore that the electromagnetic environment has a spectrum with a single sharp resonance, which serves as a lasing cavity. Additionally, the electromagnetic environment should have a very broad resonance around a frequency which differs form the sharp resonance. We use the polaron transformation and derive a rate equation to describe the dynamics of such system. We find that lasing at the frequency of the sharp mode is possible, if the energy difference of the atomic transition is similar to the sum of the frequencies of both peaks in the spectral function. This allows for the creation of lasing over a large frequency range and may in perspective enable THz lasing at room temperature.

연구 동기 및 목표

• 임의의 주파수에서, 특히 테라헤르츠 대역에서 비편향된 빛의 간섭성 방출을 가능하게 하는 새로운 레이저 기법을 개발하는 것.
• 대칭적인 원자 시스템에 의존하는 기존 레이저의 한계를 극복하기 위해 대칭성이 깨진 인공 원자를 활용함으로써, 인version을 요구하지 않는 효과적 인version을 가능하게 하는 것.
• 넓은 스펙트럼 피크를 가진 소산 환경과 날카운 공진모드를 결합하여 실온에서도 레이저 작동을 가능하게 하는 것.
• 종방향 결합을 통한 다중 광자 전이가 효과적 인version을 생성할 수 있음을 보여주어 강력한 외부 펌핑이 필요로 하지 않는 것.

제안 방법

• 시스템은 종방향 및 횡방향 전자기장에 대한 이중 준위 원자로 모델링되며, 종방향 결합은 다중 광자 전이를 가능하게 한다.
• 전자기 환경은 원자 전이 에너지와의 차이가 공진모드 주파수와 일치하는 주파수에서 피크를 가진 날카운 공진모드(레이저 공진기)와 넓은 공진모드(소산 배지)를 포함하도록 공학적으로 설계된다.
• 시스템을 배지에서 분리하고 전이 속도 분석을 단순화하기 위해 폴라론 변환을 해밀토니안에 적용한다.
• 비례 방정식을 유도하여 동역학을 기술하며, 낮은 온도의 열적 배지 조건 하에서 광자 방출 및 흡수 속도를 계산한다.
• 환경의 스펙트럼 함수는 Fano형 공진과 넓은 연속 스펙트럼을 모델링하여 공진모드 및 배지에 대한 조절 가능한 결합을 가능하게 한다.
• 약한 및 강한 결합 영역에서 평균 광자 수에 대한 해석적 해를 도출하였으며, 공명 조건 및 저온 근사에 기반한 근사가 적용된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대칭성이 깨진 인공 원자와 공학적으로 설계된 전자기 환경을 이용해 임의의 주파수에서 레이저 작동을 달성할 수 있는가?
• RQ2 종방향 결합은 다중 광자 전이를 어떻게 가능하게 하여 효과적 인버전을 지원하는가?
• RQ3 날카운 공진모드 주파수에서의 레이저 작동을 유지하기 위해 전자기 환경의 스펙트럼 밀도에 어떤 조건이 필요한가?
• RQ4 이 메커니즘은 특히 양자점 또는 초전도 큐비트 시스템에서 실온에서의 테라헤르츠 레이저 작동을 가능하게 하는가?
• RQ5 넓은 소산 배지의 역할은 무엇인가? 이는 광자 방출을 가능하게 하면서도 공진모드 내에서 장수명 광자를 유지하는 데 기여하는가?

주요 결과

• 원자 전이 에너지 ΔE가 공진모드 주파수 Ω와 넓은 스펙트럼 밀도의 피크 주파수 ωL의 합과 일치할 경우, 즉 ΔE ≈ Ω + ωL일 때, 날카운 공진모드 주파수에서 레이저 작동이 가능하다.
• 공진모드 내 평균 광자 수는 ⟨n⟩ ≈ (Γ²ωL)/(2εCg²sin²θcos²θ) × exp(4εCcos²θ/ωL)로 주어지며, 이는 결합 강도 증가에 따라 지수적으로 증폭됨을 보여준다.
• 큰 광자 수 조건에서는 Γ+ ≫ κ여야 하며, 효과적 결합 g는 g²sin²θ ≪ Γ²/⟨n⟩를 만족해야 공진모드가 배지보다 지배적이게 된다.
• kBT ≪ ωL 조건에서 실온에서도 레이저 작동이 가능하며, 이는 양자점 또는 초전도 큐비트 시스템에서 잠재적인 테라헤르츠 레이저 작동을 가능하게 한다.
• 광자 수는 비율 εCcos²θ/ωL에 따라 지수적으로 증가하므로, 환경의 스펙트럼 형상 조절이 레이저 효율을 극적으로 향상시킬 수 있음을 시사한다.
• 유도된 비례 방정식과 폴라론 변환 접근법은 비마르코프, 구조화된 환경에서의 다중 광자 과정 및 전이 속도에 대한 체계적인 분석을 가능하게 한다.