[논문 리뷰] Continuous collective strong coupling between atoms and a high finesse optical cavity

Julia Cline, Vera M. Schäfer외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 31.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 연속적인 운반을 통해 고정밀 링 캐비티에 최대 10⁶ ⁸⁸Sr 원자를 연속적으로 적재함으로써, 813 nm의 움직이는 광학 격자에 의해 연속적인 강한 집단 결합을 실현하였으며, 이는 ¹S₀–³P₁ 전이에서 7.5 kHz의 진공 라비 분할로써 증명되었다. 이 시스템은 냉각 레이저에서의 결정성을 줄이며 연속파 초강한 레이저의 밀리헤르츠 대역폭을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We demonstrate continuous loading of strontium atoms into a high finesse ring cavity and observe continuous strong collective coupling in the form of a vacuum Rabi splitting between the atoms and the cavity on the 7.5 kHz transition $^1{ m S}_0$ to $^3{ m P}_1$. The atoms are loaded into the cavity from a 3D narrow linewidth molasses, thus avoiding large magnetic field gradients and associated broadening of transition frequencies. The ring cavity allows us to realize a deterministic conveyor belt to transport atoms away from the loading region where the laser cooling beams lead to broadening of the strontium clock transition. We trap up to $10^6$ atoms in an intracavity 813 nm lattice in the Lamb-Dicke regime, and transport the atoms along the cavity axis. This work opens the path to the creation of a continuous wave superradiant laser with millihertz linewidth enabling searches for new physics and the use of high-precision optical frequency references outside of low vibration laboratory environments.

연구 동기 및 목표

• 고정밀 광학 캐비티에 초냉각 원자를 연속적으로 적재하면서 강한 집단 결합을 유지하는 것.
• 움직이는 내장 광학 격자를 사용해 원자를 냉각 레이저 빔으로부터 이동시켜 디코herence를 최소화하는 것.
• 양자 미측정 분야의 응용을 위해 연속 작동이 가능하도록 하여 연속파 초강한 레이저 및 고정밀 주파수 기준을 실현하는 것.
• 캐비티 내에서 원자에 대한 결정적인 컨veyor 벨트를 구현하여 정지 시간을 줄이고 신호 대 잡음비를 향상시키는 것.
• 엔트랑글먼트 생성 및 비선형 스펙트로스코피를 포함한 연속적인 캐비티 증폭 양자 기술 플랫폼을 구축하는 것.

제안 방법

• 3D 좁은 선폭의 모라스에서 원자를 링 캐비티로 적재하여, 전이의 넓어짐을 유발하는 큰 자기장 기울기를 피함.
• 움직이는 813 nm 광학 격자를 사용해 원자를 캐비티 축을 따라 운반하여 냉각 영역에서 저디코herence 영역으로 이동함.
• 조절 가능한 레이저로 캐비티 투과도를 측정함으로써 진공 라비 분할을 측정하며, 피크의 넓어짐을 방지하기 위해 70 μs 동안 냉각 레이저를 끔.
• 고정밀 링 캐비티를 사용하여, 약 10⁵의 페르미드를 확보함으로써 강한 결합과 긴 광자 저장 시간을 실현함.
• 원자 수와 위상 공간 밀도는 캐비티 투과도를 통해 측정되며, 격자 내에서 Tᵣ = 10(2) μK 및 T_z = 9(1) μK를 달성함.
• 캐비티는 ¹S₀–³P₁ 전이(7.5 kHz 대역폭)에 가까운 공명에 고정되며, 30° 기울인 자기장으로 인한 증식 분리로 모든 세 개의 증식 준위에 대한 결합이 가능함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정밀 광학 캐비티에 초냉각 원자를 연속적으로 적재하면서 강한 집단 결합을 유지할 수 있는가?
• RQ2 캐비티 내에서 원자를 결정적으로 운반하면 잔류 냉각 레이저 빔으로 인한 디코herence를 줄일 수 있는가?
• RQ3 연속 작동이 장기간 스케일에서 진짜로 연속적인 진공 라비 분할을 관측할 수 있는가?
• RQ4 원자 유량과 결합 강도가 연속파 초강한 레이저 작동에 필요한 임계값에 도달할 수 있는가?
• RQ5 이 시스템은 안정적이고 고유량의 연속 양자 미측정 및 정밀 측정 원천으로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 캐비티로의 연속 원자 유량이 2.1(3)×10⁷ ⁸⁸Sr 원자/초에 도달하여 연속 초강한 레이저 작동의 임계값을 초과함.
• 비넓어진 대역폭을 가진 7.5 kHz의 진공 라비 분할이 관측되어 연속 영역에서 강한 집단 결합이 확인됨.
• 내장 813 nm 격자에 최대 1×10⁶개의 원자가 갇히며 위상 공간 밀도가 7(2)×10⁻⁵로 측정되어 고도의 디게너레이션을 나타냄.
• 격자 내에서 반경 방향 및 축 방향의 온도는 각각 10(2) μK 및 9(1) μK로 측정되어 람브-딕케 영역임을 확인함.
• 모든 레이저를 켠 상태에서 몇 시간에 걸쳐 진짜로 연속적인 진공 라비 분할이 샘플링되었으며, 안정적인 작동을 확인함.
• 측정된 원자 유량은 이전 펄스 실험에서의 위상 분산 속도를 가정할 경우, 연속 초강한 레이저 작동에 필요한 2.7×10⁶ 원자/초의 임계값을 초과함.