[논문 리뷰] Non-reciprocal Cavity Polariton with Atoms Strongly Coupled to Optical Cavity

Pengfei Yang, Ming Li외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 23.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 레이저를 통해 강하게 결합된 여러 리비듐 원자와 광학 패배르-페로 캐비티를 사용하여 자기장이 없는 비상호작용 캐비티 펄라리톤 시스템을 구현한다. 원자를 스핀 균형 상태로 준비함으로써 시간 역행 대칭성이 깨지고, 외부 자기장 조건 없이도 단일 광자 수준의 광학적 격리가 가능해지며, 격리 비율은 30 dB를 초과한다. 이는 재구성 가능한 격리 방향을 원자 상태 제어를 통해 달성할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Breaking the time-reversal symmetry of light is of great importance for fundamental physics and has attracted increasing interest in the study of non-reciprocal photonic devices. Here, we experimentally demonstrate a chiral cavity QED system with multiple atoms strongly coupled to a Fabry-Perot cavity. By polarizing the internal quantum state of the atoms, the time-reversal symmetry of the atom-cavity interaction is broken. The strongly coupled atom-cavity system can be described by non-reciprocal quasiparticles, i.e., the cavity polariton. When it works in the linear regime, the inherent nonreciprocity makes the system work as a single-photon-level optical isolator. Benefiting from the collective enhancement of multiple atoms, an isolation ratio exceeding 30~dB on the single-quanta level (~0.1 photon on average) is achieved. The validity of the non-reciprocal device under zero magnetic field and the reconfigurability of the isolation direction are also experimentally demonstrated. Moreover, when the cavity polariton works in the nonlinear regime, the quantum interference between polaritons with weak anharmonicity induces non-reciprocal nonclassical statistics of cavity transmission from coherent probe light.

연구 동기 및 목표

• 외부 자기장이 없는 광학 시스템에서 자기장이 없는 비상호작용을 달성하기 위해.
• 원자 스핀 상태를 이용하여 캐비티 양자전기역학에서 시간 역행 대칭성을 깨기 위해.
• 다수의 원자들이 집단적으로 강하게 결합된 상태를 통해 고정밀도의 단일 광자 수준의 광학 격리 구현을 위해.
• 원자 제이만 상태 분포 제어를 통해 격리 방향을 동적으로 재구성 가능하게 하기 위해.
• 약한 비조화성 조건 하에서 캐비티 출력의 비선형 비고전적 통계를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 냉각된 87Rb 원자 집합체를 스핀 균형 초위상 상태로 준비하고, 이들이 광학 패배르-페로 캐비티와 강하게 결합된 상태를 이용한다.
• 459-nm 펌프 레이저를 사용하여 특정 제이만 준위(예: mF = -4, -3)에 원자를 준비함으로써 시간 역행 대칭성을 깨는 방식을 사용한다.
• 입사 광장이 |6S1/2, F=4⟩ → |6P3/2, F=3⟩ 전이에 공명하고, σ⁻ 편광을 이용해 투과도를 측정한다.
• 원자 상태의 동적 변화를 시뮬레이션하기 위해 비율 방정식을 사용하고, 제이만 준위 분포와 결합 강도로부터 효과적 협동성 C_eff^± 를 계산한다.
• 효과적 해밀토니안과 입력-출력 이론을 사용하여 캐비티 투과도를 모델링하며, 주요 텍스트의 식 (1)을 통해 투과도를 계산한다.
• 실험적 측정을 통해 격리 비율과 스위칭 동역학을 검증하고, 원자 상태 분포 및 투과도 변화의 이론적 시뮬레이션과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 자기장이나 교류 구동 없이도 캐비티-QED 시스템에서 비상호작용 광학 투과가 달성될 수 있는가?
• RQ2 집단적 원자 결합이 단일 광자 수준의 비상호작용 격리 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 원자 내부 상태 제어를 통해 격리 방향을 동적으로 재구성할 수 있는가?
• RQ4 원자 스핀 균형 상태가 캐비티 광자에 대한 시간 역행 대칭성 깨짐에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 펄라리톤에서의 양자 간섭과 약한 비조화성은 캐비티 출력의 비상호작용 비고전적 통계에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 평균 입력이 약 0.1개 광자일 때도 격리 비율이 30 dB를 초과하여 단일 광자 수준의 비상호작용을 입증한다.
• 외부 자기장 없이도 원자 스핀 균형 상태에 의존하여 시간 역행 대칭성이 깨지며 비상호작용이 달성된다.
• 459-nm 펌프 레이저를 이용해 원자 제이만 상태 분포를 전환함으로써 격리 방향을 재구성할 수 있다.
• 원자가 mF = -4 에서 mF ≥ -2 로 펌프되는 동안 투과도가 빠르게 차단되며(밀리초 수준), 강한 진공 라비 분리에 기인한다.
• mF = 4 에서 시작할 경우, 모든 원자를 다시 mF = -4 와 -3 으로 재균형화해야 하므로 투과도를 켜는 데 더 오랜 시간이 소요된다.
• 원자 상태 분포와 효과적 협동성의 이론적 시뮬레이션이 실험 결과와 일치하여 모델과 제어 메커니즘의 타당성을 확인한다.