[论文解读] Blockade-induced resonant enhancement of the optical nonlinearity in a Rydberg medium

Annika Tebben, Clément Hainaut+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2019

Quantum optics and atomic interactions参考文献 25被引用 9

一句话总结

本文通过强控制场驱动的双光子过程，在电磁感应透明（EIT）条件下，提出了一种在里德堡气体中实现光学非线性的共振增强。作者在半经典框架下显式建模了中间态动力学，推导出三阶极化率的解析表达式，发现在探测场失谐匹配控制场拉比频率时出现强烈的非线性响应峰，从而实现对光-物质相互作用的空间可调整形。

ABSTRACT

We predict a resonant enhancement of the nonlinear optical response of an interacting Rydberg gas under conditions of electromagnetically induced transparency. The enhancement originates from a two-photon process which resonantly couples electronic states of a pair of atoms dressed by a strong control field. We calculate the optical response for the three-level system by explicitly including the dynamics of the intermediate state. We find an analytical expression for the third order susceptibility for a weak classical probe field. The nonlinear absorption displays the strongest resonant behavior on two-photon resonance where the detuning of the probe field equals the Rabi frequency of the control field. The nonlinear dispersion of the medium exhibits various spatial shapes depending on the interaction strength. Based on the developed model, we propose a realistic experimental scenario to observe the resonance by performing transmission measurements.

研究动机与目标

• 理解并建模在标准绝热近似之外的相互作用里德堡气体在EIT条件下的非线性光学响应。
• 识别并表征由里德堡相互作用与控制场动力学相互作用产生的新型两体、双光子共振。
• 发展一种包含中间态动力学的半经典理论，实现对非线性极化率的解析预测。
• 证明通过调节控制场拉比频率与探测场失谐的比值，可显著增强并空间整形非线性响应。
• 提出一种可行的实验透射测量方案，以在真实原子密度分布中观测预测的共振。

提出的方法

• 为EIT下的里德堡原子构建三能级系统模型，包含探测场与控制场，其失谐为∆，拉比频率分别为Ωp与Ωc。
• 在对称基下构建双原子态哈密顿量，显式包含作为原子间距函数的里德堡相互作用V(R)。
• 推导系统的布居本征态，特别关注双激发子空间及强相互作用下|β₀⟩态的出现。
• 求解弱探测场下的麦克斯韦-布洛赫方程，推导出三阶极化率χ⁽³⁾的解析表达式。
• 通过建模高斯分布考虑非均匀原子密度，并求解探测透射率的相应微分方程。
• 利用数值模拟在不同相互作用强度与失谐下映射共振条件Ωc/∆ = |δ|。

实验结果

研究问题

• RQ1 里德堡-EIT系统中中间态动力学是否可导致非线性光学响应的共振增强？
• RQ2 当显式包含中间态动力学时，三阶极化率χ⁽³⁾的解析形式为何？
• RQ3 双光子共振条件如何依赖于控制场拉比频率与探测场失谐的比值？
• RQ4 通过调节Ωc/∆能否调制非线性吸收的空间分布？
• RQ5 在非恒定原子密度的真实实验设置中，预测的共振是否可观测？

主要发现

• 当探测场失谐δ等于控制场拉比频率Ωc时，非线性光学响应出现共振增强，导致非线性吸收出现尖锐峰值。
• 推导出三阶极化率χ⁽³⁾的解析表达式，其呈现1/γe的标度关系，表明长寿命中间态（如在锶中）可显著增强非线性。
• 当引入相互作用后，共振条件从|Ωc/∆| = 1移至|Ωc/∆| ≈ 0.6，这是由于|rr⟩态引起的能级位移所致。
• 非线性响应的空间分布形状随相互作用强度变化而不同，当Ωc/∆ ≠ 1时，在有限原子间距处出现吸收最小值。
• 在高斯原子密度分布中，透射测量仍能清晰揭示共振，证实当前实验装置的可行性。
• 比值Ωc/∆可用于调节有效光势的空间依赖性，从而实现对光子相互作用的调控。