[論文レビュー] Effect of Dimple Potential on Ultraslow Light in a Bose-Einstein Condensate

Devrim Tarhan, Haydar Uncu|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2012

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 15被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、調和ポテンシャルに中央に浅いくぼみポテンシャルを持つボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）における超低速光伝搬を調査している。グロス＝ピタエフスキー方程式とトマス＝フェルミ近似を用いて、深いくぼみポテンシャルが群速度を顕著に低下させることを示し、1ミリ秒に達する群遅延を実現可能であることを示している。これは、量子メモリ応用のための大規模で制御可能な時間遅延を実現する有効な道筋を示している。

ABSTRACT

We investigate the propagation of ultraslow optical pulse in atomic Bose-Einstein condensate in a harmonic trap decorated with a dimple potential. The role of dimple potential on the group velocity and time delay is studied. Since we consider the interatomic scattering interactions nonlinear Schrodinger equation or Gross-Pitaevskii equation is used in order to get the density profile of the atomic system. We find large group delays of order 1 msec in an atomic Bose-Einstein condensate in a harmonic trap with a deep dimple potential.

研究の動機と目的

• BEC内における超低速光伝搬の群速度および時間遅延に及ぼすくぼみポテンシャルの影響を調査すること。
• グロス＝ピタエフスキー方程式を用いて、ガウス型のくぼみポテンシャルを有する調和ポテンシャル内のBECの密度分布をモデル化すること。
• くぼみポテンシャルの深さを増すことで原子密度がどのように向上し、群速度が低下するかを分析すること。
• 潜在的な量子メモリ応用のため、最大1msに達する大規模で制御可能な時間遅延を達成する可能性を示すこと。

提案手法

• くぼみポテンシャルを、トラップの平衡点に中心を置いた狭いガウス関数としてモデル化する。
• トマス＝フェルミ近似を用いて、調和ポテンシャルおよびくぼみポテンシャルを組み合わせた原子密度分布を導出する。
• 数値的にグロス＝ピタエフスキー方程式を解き、化学ポテンシャルおよび密度分布を決定する。
• EITに基づく超低速光モデルを適用し、群速度の式 vg ∝ 1/√ρ を用いて密度と群速度の関係を定式化する。
• 軸方向長 Lz をトマス＝フェルミ半径から導出し、tD = Lz / vg の式を用いて時間遅延を計算する。
• 化学ポテンシャルをくぼみ深さ V0 の関数として数値的積分により解き、密度および群速度の計算を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 くぼみポテンシャルの深さは、BEC内における超低速光の群速度にどのように影響するか？
• RQ2 深いくぼみポテンシャルを有するBECで達成可能な最大時間遅延は何か？
• RQ3 調和ポテンシャルとくぼみポテンシャルの併存下で、原子密度分布はどのように変化するか？
• RQ4 群速度が安定化するくぼみポテンシャルの深さは何か？その物理的解釈は何か？
• RQ5 くぼみポテンシャルを用いることで、通常のBECの値を著しく上回る時間遅延を達成できるか？

主な発見

• 23NaのBECにおいて、深いくぼみポテンシャル（V0 = 1500ħωz）を用いることで、超低速光の群速度が低下し、最大1ミリ秒の時間遅延が実現可能である。
• 低強度領域では、くぼみポテンシャルの深さが増すにつれて群速度が急激に低下するが、より深いポテンシャルではくぼみがポテンシャル分布を支配するようになり、群速度は安定化する。
• 化学ポテンシャルはくぼみ深さに応じて増加し、N = 1 × 10⁶ 原子および V0 = 100ħωz の場合に µ = 1.0800 × 10−12 eV に達する。
• 時間遅延は群速度の逆数に比例し、Lz ≈ 2R（Rはトマス＝フェルミ半径）であることから、深いくぼみポテンシャルでは大規模な遅延が実現可能である。
• 選択したパラメータにおいて、システムはトマス＝フェルミ近似の有効範囲内にあり、信頼性の高い密度および速度の計算が保証される。
• 結果から、くぼみポテンシャルを用いることでBEC内に高密度領域を設計可能であり、量子情報応用のための大規模で制御可能な時間遅延を実現できることが確認された。