[논문 리뷰] Optical wire trap for cold neutral atoms

Philipp Schneeweiß, Fam Le Kien외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 21.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 41인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 냉각된 중성 세슘 원자에 대한 광학적 와이어 트랩을 제안하며, 880.25 nm의 '조절 외' 파장에서 나노섬유에 의해 유도된 가짜 자기장에 의해 유도된 가짜 자기장에 기반한다. 이는 두 색상의 나노섬유 트랩과 유사한 트랩 깊이와 진동수를 달성하면서도 레이저 출력을 10배 감소시킨다. 이 방법을 통해 원자는 섬유 표면으로부터 100–200 nm 내에서 위치를 정할 수 있으며, 원자당 광학적 깊이가 0.4를 초과하여 양자 광학 인터페이스의 효율성을 높인다.

ABSTRACT

We propose a trap for cold neutral atoms using a fictitious magnetic field induced by a nanofiber-guided light field. In close analogy to magnetic side-guide wire traps realized with current-carrying wires, a trapping potential can be formed when applying a homogeneous magnetic bias field perpendicular to the fiber axis. We discuss this scheme in detail for laser-cooled cesium atoms and find trap depths and trap frequencies comparable to the two-color nanofiber-based trapping scheme but with one order of magnitude lower powers of the trapping laser field. Moreover, the proposed scheme allows one to bring the atoms closer to the nanofiber surface, thereby enabling efficient optical interfacing of the atoms with additional light fields. Specifically, optical depths per atom, $σ_0/A_{ m eff}$, of more than 0.4 are predicted, making this system eligible for nanofiber-based nonlinear and quantum optics experiments.

연구 동기 및 목표

• 나노섬유에 의해 유도된 빛장에 기반한 저전력, 고효율의 냉각 중성 원자 트랩을 개발하기 위해.
• 기존의 두 색상 나노섬유 트랩보다 더 가까운 원자-섬유 거리를 실현하여 광학적 인터페이싱을 향상시키기 위해.
• 기존의 자기장 와이어 트랩과의 유사성을 활용하여 기존의 로딩 및 냉각 기법과의 호환성을 확보하기 위해.
• 비선형 및 양자 광학 응용을 위해 원자당 광학적 깊이(σ₀/A_eff > 0.4)를 높이기 위해.
• 실제 자기장을 피하고 조절 외 파장을 사용함으로써 임의의 산란 및 표면에 기인한 디코herence를 최소화하기 위해.

제안 방법

• 트랩은 133Cs에 대해 '조절 외' 파장인 880.25 nm에서 나노섬유에 의해 유도된 빛장을 사용하여 스칼라 빛 이완을 상쇄하고, 벡터 극성도 효과를 분리한다.
• 원자 기초 상태의 벡터 극성도는 횡방향 전기장의 원형 편광에 기인한 i[ℰ*×ℰ] 비례의 가짜 자기장 B^fict를 생성한다.
• 섬유축에 수직인 균일한 외부 자기장 편향장이 B^fict와 결합되어 제이만 이완을 통해 반경 방향 트랩 위치를 형성한다.
• 반경 방향 잠재 에너지의 깊이와 진동수를 벡터 극성도와 빛의 강도를 사용하여 계산하며, 트랩 최소값은 나노섬유 표면에서 100–200 nm 거리에 위치한다.
• 축 방향의 구속은 외부 비균일 자기장 또는 반대 방향으로 진행하는 섬유 모드를 통해 주기적인 트랩 위치를 형성함으로써 가능해진다.
• 산란 비율은 스칼라 및 벡터 산란 계수를 사용하여 추정되며, D선 근처의 디튜닝로 인해 1–10 s⁻¹의 산란 비율을 기록한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노섬유에 의해 유도된 빛장이 조절 외 파장에서 냉각 세슘 원자에 대해 안정적이고 저전력의 광학적 와이어 트랩을 생성할 수 있는가?
• RQ2 이 가짜 자기장 기반 방법을 사용할 경우, 두 색상 트랩과 비교해 어떤 트랩 깊이와 진동수를 달성할 수 있는가?
• RQ3 낮은 산란 비율을 유지하면서 트랩된 원자를 나노섬유 표면에 얼마나 가까이 놓을 수 있는가?
• RQ4 원자당 얻을 수 있는 광학적 깊이는 얼마이며, 비선형 또는 양자 광학 실험에 충분한가?
• RQ5 기존의 자기장 트랩 기법(예: 단서적 로딩, 증발 냉각)을 이 광학적 와이어 트랩에 적응시킬 수 있는가?

주요 결과

• 이 광학적 와이어 트랩은 레이저 출력이 10배 감소한 1.2 mW임에도 불구하고, 두 색상 나노섬유 트랩과 유사한 트랩 깊이와 진동수를 달성한다.
• 원자는 나노섬유 표면으로부터 100–200 nm 거리에서 구속될 수 있으며, 일반적인 두 색상 트랩보다 훨씬 가까운 거리이다.
• 원자당 광학적 깊이 σ₀/A_eff는 최대 0.4에 도달하여, 양자 광학 실험에서 강한 빛-물질 결합을 가능하게 한다.
• 산란 비율은 1–10 s⁻¹로 추정되며, 낮은 강도임에도 불구하고 D선 근처의 디튜닝 덕분에 두 색상 방법과 유사한 비율을 기록한다.
• 기존의 자기장 트랩 기법(예: 단서적 로딩, 분산 측정)과의 호환성이 높으며, 이는 기존의 와이어 트랩과의 개념적 유사성 덕분이다.
• 진동수의 노이즈에 의한 스핀 전환이 실재 자기장이 없고 나노섬유 표면이 유전체 성질을 띠기 때문에 무시할 수 있을 정도로 낮다.