[논문 리뷰] Observation of oscillatory Raman gain associated with two-photon Rabi oscillations of nanofiber-coupled atoms

Christian Liedl, Sebastian Pucher외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 01.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 33인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 프로브 필드와 자유공간 커플링 필드를 통해 두광자 라비 진동으로 유도된 나노파이버 결합 세슘 원자 집합체에서 진동형 라만 증폭 및 흡수를 나타낸다. 원자 매개의 위상 일치된 광자 교환을 이용하여, 측정된 두광자 라비 주파수 2π × 2.63(3) MHz로 인해 위상 일치된 라비 주파수 스케일링이 확인되었으며, 이는 오토러-타운즈 분리에 의한 커플링 강도 캘리브레이션을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Quantum emitters with a $\Lambda$-type level structure enable numerous protocols and applications in quantum science and technology. Understanding and controlling their dynamics is, therefore, one of the central research topics in quantum optics. Here, we drive two-photon Rabi oscillations between the two ground states of cesium atoms and observe the associated oscillatory Raman gain and absorption that stems from the atom-mediated coherent photon exchange between the two drive fields. The atoms are efficiently and homogeneously coupled with the probe field by means of a nanofiber-based optical interface. We study the dependence of the two-photon Rabi frequency on the system parameters and observe Autler-Townes splitting in the probe transmission spectrum. Beyond shedding light on the fundamental processes underlying two-photon Rabi oscillations, our method could also be used to investigate (quantum) correlations between the two drive fields as well as the dynamical establishment of electromagnetically induced transparency.

연구 동기 및 목표

• . 주요 목적은 Λ형 원자 시스템에서 두광자 라비 진동과 관련된 위상 일치된 진동형 라만 증폭 및 흡수 동역학을 관측하고 특성화하는 것이다.
• . 연구 목표는 세슘 원자를 나노파이버에 의해 유도된 프로브 필드에 효율적이고 균일하게 커플링하여 빛-물질 상호작용을 강화하는 것이다.
• . 핵심 목표는 이론 예측을 검증하기 위해 프로브 전력 및 두광자 떨어짐에 따라 두광자 라비 주파수를 측정하는 것이다.
• . 저자들은 프로브 전송 스펙트럼에서 관측된 오토러-타운즈 분리에 의해 커플링 라비 주파수를 캘리브레이션하고자 한다.
• . 향후 드라이브 필드 간 양자 상관관계 및 전자기적으로 유도된 투명도의 동적 형성에 대한 연구를 가능하게 하는 것 역시 목표이다.

제안 방법

• . 레이저 냉각된 세슘 원자 집합체가 나노파이버의 허브 부근에 블루 디튜닝된 러닝 웨이브와 레드 디튜닝된 스탠딩 웨이브의 조합을 이용해 포획된다.
• . 프로브 레이저 필드는 나노파이버에 의해 유도되며, 증발장에 의해 원자와 커플링되며, 커플링 필드는 자유공간에서 두광자 라비 전이를 유도하기 위해 적용된다.
• . 시스템은 효과적인 이중준위 체계에서 전체 인version 상태로 초기화되어 커플링 필드를 켤 때 라만 증폭을 관측할 수 있도록 한다.
• . 시간에 따라 변화하는 프로브 전송은 단일 광자 카운팅 모듈을 사용하여 측정되어 진동형 증폭 및 흡수 동역학을 추적한다.
• . 두광자 라비 주파수는 효과적 라비 주파수 Ω̃, 감쇠율 Γ̃, 광학적 깊이 ÕD를 자유 매개변수로 포함한 일반화된 라비 모델에 전송 진동을 피팅하여 추출된다.
• . 커플링 강도는 프로브 전송 스펙트럼에서 관측된 오토러-타운즈 분리에 의해 캘리브레이션되어 라비 주파수 스케일링의 독립적 검증이 가능해진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 나노파이버에 결합된 원자 시스템에서 두광자 라비 주파수는 프로브 전력과 두광자 떨어짐에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ2 . Λ형 시스템에서 두광자 라비 진동 중에 진동형 라만 증폭 및 흡수를 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ3 . 측정된 라비 주파수는 일반화된 라비 주파수 Ω̃g = (Ω̃² + δ̃²)¹/²와 얼마나 일치하는가?
• RQ4 . 프로브 전송 스펙트럼에서 오토러-타운즈 분리에 의해 커플링 라비 주파수를 신뢰성 있게 캘리브레이션할 수 있는가?
• RQ5 . 전송 동역학에 대한 피팅으로 유추된 시스템의 효과적 광학적 깊이와 자극된 상태의 인구는 얼마인가?

주요 결과

• . 두광자 라비 주파수는 실험적으로 2π × 2.63(3) MHz로 측정되었으며, 독립적으로 추정된 2π × 2.83 MHz와 양호한 일치를 보였다.
• . 진동형 프로브 전송은 전송 계수 ≈2.0까지 라만 증폭을 보이며, 이후 증폭과 흡수 사이의 위상 일치된 진동을 보였다.
• . 두광자 라비 주파수는 일반화된 라비 주파수 Ω̃g = (Ω̃² + δ̃²)¹/²에 따라 스케일링되며, 피팅 결과 공진 조건에서 Ω̃ = 2π × 2.12(4) MHz로 도출되었다.
• . 라비 주파수는 프로브 전력에 따라 √Pp 비례로 증가하며, 피팅 매개변수 A = 2π × 138(3) kHz/√pW로 측정되어 이론적 기대와 일치하였다.
• . 효과적 광학적 깊이는 ÕD = 5.6(2)로 결정되었으며, 평균 자극 상태 인구는 ρee = 0.100(1)로 확인되었다.
• . 프로브 전송 스펙트럼에서 오토러-타운즈 분리가 관측되었으며, 이는 커플링 라비 주파수의 캘리브레이션을 가능하게 하였고, β = 0.0171(8)의 값을 도출하였다. 이는 이론적 예측과 합리적인 일치를 보였다.