[논문 리뷰] Steady-state superradiance with Rydberg polaritons

Zhexuan Gong, Minghui Xu외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 02.

Strong Light-Matter Interactions참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 원자들이 좁은 광학 전이 상태에 있는 캐비티에 라이드버그 매질을 통합하여, 초박편한 스펙트럼 폭, 비고전적 빛을 방출하는 정 steady-state 초광역 레이저를 제안한다. 라이드버그 차단은 강한 캐비티 비선형성을 유도하여 원자들의 위상 동기화를 가능하게 하고, 매우 날카러운 중심 피크를 가진 멜러우 트리플렛을 생성하여, 고전적 초광역 레이저보다 최대 100배 더 좁은 스펙트럼 폭을 달성하면서도 비고전적 반구성성을 유지한다.

ABSTRACT

A steady-state superradiant laser can be used to generate ultranarrow-linewidth light, and thus has important applications in the fields of quantum information and precision metrology. However, the light produced by such a laser is still essentially classical. Here, we show that the introduction of a Rydberg medium into a cavity containing atoms with a narrow optical transition can lead to the steady-state superradiant emission of ultranarrow-linewidth $nonclassical$ light. The cavity nonlinearity induced by the Rydberg medium strongly modifies the superradiance threshold, and leads to a Mollow triplet in the cavity output spectrum$-$this behavior can be understood as an unusual analogue of resonance fluorescence. The cavity output spectrum has an extremely sharp central peak, with a linewidth that can be far narrower than that of a classical superradiant laser. This unprecedented spectral sharpness, together with the nonclassical nature of the light, could lead to new applications in which spectrally pure $quantum$ light is desired.

연구 동기 및 목표

• 양자 미측정 및 양자 정보 응용 분야를 위해 비고전적이고 스펙트럼적으로 순수한 빛을 갖는 정상태 초광역 레이저를 구현하기 위해.
• 초광역 레이저에서 스펙트럼 좁힘에 필수적인 악캐비티 한계와 강한 캐비티 비선형성 사이의 근본적 상충 관계를 극복하기 위해.
• 라이드버그 매질을 통한 광자 차단이 강한 비선형성과 레이저 원자들의 위상 동기화를 동시에 가능하게 한다는 것을 입증하기 위해.
• 캐비티 출력에 멜러우 트리플렛이 초점화된 초고조밀한 중심 피크가 중첩되도록 설계하여, 샷노이즈 이하의 스펙트럼 성능을 달성하기 위해.
• 양자 네트워크 및 샷노이즈 이하 분광법과 같은 고스펙트럼 순도와 비고전적 빛이 필요한 새로운 응용 분야를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 라이드버그 매질을 이용해 캐비티 내에서 강한 광자 차단을 유도하여, 캐비티 모드를 다중 광자 점유를 차단하는 효과적인 이중준위 시스템으로 전환한다.
• 라이드버그 매질의 집단적 증폭 효과를 활용하여 단일 원자 강한 결합이 필요 없이도 강한 비선형성을 달성함으로써 악캐비티 한계와의 호환성을 유지한다.
• 캐비티 장 및 원자 연산자에 대한 마스터 방정식을 사용해 시스템을 모델링하고, 블록레이드된 캐비티 모드의 효과적인 이중준위 성질을 통합한다.
• 누적량 전개와 단절적 제거를 적용하여 안정 상태 캐비티 장 상관 함수와 스펙트럼 폭을 유도하며, 수정된 교환관계 $[b,b^{ullet}]=1-2b^{ullet}b$ 를 고려한다.
• 캐비티 출력 스펙트럼을 분석하여 멜러우 트리플렛의 구조와 블록레이드로 유도된 에너지 척도로 인해 초고조밀한 중심 피크가 나타나는지 확인한다.
• 역동성 및 스펙트럼 특성을 기술하기 위해 효과적 라비 주파수 $\Omega_{\text{eff}}$ 와 수정된 붕괴율 $\Gamma$ 를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라이드버그 매질이 있는 캐비티에서 정상태 초광역 레이저 작동과 비고전적 빛 생성이 동시에 달성될 수 있는가?
• RQ2 라이드버그 매질 내 광자 차단이 초광역 레이저의 임계 조건과 방출 빛의 스펙트럼 폭에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 캐비티 출력의 스펙트럼 구조는 무엇이며, 초고조밀한 중심 피크를 가진 멜러우 트리플렛을 나타낼 수 있는가?
• RQ4 차단 효과를 통해 고전적 초광역 레이저 한계 이하로 스펙트럼 폭을 매개변수적으로 감소시킬 수 있는가?
• RQ5 스펙트럼 좁힘과 좁은 스펙트럼 성분의 출력 사이의 상충 관계는 무엇이며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 블록레이드된 캐비티 모드가 형성하는 효과적인 이중준위 시스템으로 인해 캐비티 출력 스펙트럼은 멜러우 트리플렛의 구조를 보인다.
• 초고조밀한 중심 피크가 스펙트럼에 나타나며, 스펙트럼 폭 $\Gamma_{\min} = 2\tilde{\kappa}C\gamma$ 는 고전적 초광역 레이저 스펙트럼 폭 $C\gamma$ 보다 매개변수적으로 작다.
• lasing 원자 수 $N = 10^6$ 이고 $\tilde{\kappa} \ll 1$ 인 경우, 고전적 초광역 레이저보다 최대 100배 더 좁은 스펙트럼 폭을 달성할 수 있다.
• 광자 방출 후 차단된 캐비티를 재충전하는 데 필요한 라비 진동 시간으로 인해 $g^{(2)}(t)$ 에서 명확한 반구성성이 관측되어 출력 빛은 비고전적이다.
• 광자 조각 수는 $\langle b^\dagger b \rangle \approx 1/2$ 에서 거의 최대에 도달하며, 좁은 스펙트럼 성분은 $\langle 1 - 2b^\dagger b \rangle$ 비례한 부분의 출력을 포함한다.
• 스펙트럼 폭 감소의 근본 원인은 블록레이드된 캐비티에서 수정된 교환관계로 인해 연속적인 광자 방출이 억제되고 효과적 붕괴율이 재정의되기 때문이다.