[논문 리뷰] Excitation of an Atomic Transition with a Vortex Laser Beam

Christian T. Schmiegelow, J. Schulz외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 23.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 29인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 원형 대칭을 유지하는 조건에서 비틀림 레이저 비트가 40Ca+ 이온의 내부 전자 상태로 궤도 운동량(OAM)을 전달하는 것을 실험적으로 입증한다. 이 과정에서 단일 광자는 회전 대칭을 유지하더라도 두 개의 각운동량 양자량을 전달할 수 있음을 보여주며, 빛의 어두운 중심부에서의 다이폴 ac-Stark 시프트는 97.5% 감소되었고, 동시에 공명 라비 진동은 유지되어 고정밀 양자 조작이 가능함을 입증한다.

ABSTRACT

Photons carry one unit of angular momentum associated with their spin~\cite{Beth1936}. Structured vortex beams carry additional orbital angular momentum which can also be transferred to matter~\cite{Allen1992}. This extra twist has been used for example to drive motion of microscopic particles in optical tweezers as well as to create vortices in degenerate quantum gases~\cite{He1995,Andersen2006}. Here we demonstrate the transfer of optical orbital angular momentum from the transverse spatial structure of the beam to the internal (electronic) degrees of freedom of an atom. Probing a quadrupole transition of a single trapped $^{40}$Ca$^+$ ion localized at the center of the vortex, we observe strongly modified selection rules, accounting for both the photon spin and the vorticity of the field. In particular, we show that an atom can absorb two quanta of angular momentum from a single photon even when rotational symmetry is conserved. In contrast to previous findings~\cite{Araoka2005,Loeffler2011a,Mathevet2013}, our experiment allows for conditions where the vorticity of the laser beam determines the optical excitation, contributing to the long-standing discussion on whether the orbital angular momentum of photons can be transferred to atomic internal degrees of freedom~\cite{VanEnk1994,Babiker2002,Jauregui2004, Schmiegelow2012, Mondal2014, Scholz-Marggraf2014} and paves the way for its use to tailor light-matter interactions.

연구 동기 및 목표

• 회전 대칭이 유지되는 시스템에서 광자의 궤도 운동량(OAM)이 원자 내부 자유도로 전달될 수 있는지 조사하는 것.
• 기존의 다중극 선택 규칙을 초월해 횡방향 전자기장 기울기가 다중극 전이를 유도하는 역할을 하는지 탐구하는 것.
• 광학 시계와 양자 논리 게이트에 핵심적인 ac-Stark 시프트를 비틀림 빛의 강도 영역에서의 영점(0)을 이용해 억제하는 것.
• 강도가 근본적으로 0인 어두운 중심부에서도 공명 결합이 유지되어 고정밀 양자 조작이 가능함을 입증하는 것.

제안 방법

• 단일 40Ca+ 이온을 마이크로-구조된 폴 트랩에 갇고, 운동 기저 상태에 가까운 온도로 레이저 냉각한다.
• 티타늄 도핑 텅스텐 레이저를 히스토그램형 위상판을 사용해 라거르-가우시안(LG) 모드(LG₀ˡ, l = 0, ±1, ±2)로 변형하여 특정 OAM을 지닌 비틀림 빛을 생성한다.
• 이온을 빛의 강도 최소점(반그림자 영역)에 위치시켜, 전자기장 기울기는 높지만 강도는 근본적으로 0에 가까운 조건에서 ac-Stark 시프트를 최소화한다.
• 비틀림 빛을 이용해 4²S₁/₂ ↔ 3²D₅/₂ 다중극 전이를 자극하고, 형광 영상 촬영을 통해 공명 라비 진동의 인구 분포 변화를 측정한다.
• 라마시 간섭측정을 통해 다양한 빛의 배열 조건에서 ac-Stark 시프트를 측정하며, 어두운 중심부(횡방향 기울기)와 강도 최대점(종방향 기울기)을 비교한다.
• 전력 정규화 및 보정된 ac-Stark 시프트를 다중극 기여를 빼고 광학적 전력로 정규화함으로써, 직접적인 시프트 대 결합 비율 비교가 가능하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 회전 대칭이 유지되는 조건에서 단일 광자의 궤도 운동량(OAM)이 원자 내부 전자 상태로 전달될 수 있는가?
• RQ2 비틀림 빛의 횡방향 전자기장 기울기가 강도가 중심에서 0인 조건에서도 다중극 전이를 공명적으로 자극할 수 있는가?
• RQ3 비틀림 빛의 어두운 중심부에서 다이폴 ac-Stark 시프트는 얼마나 감소시킬 수 있으며, 동시에 강한 공명 결합은 유지되는가?
• RQ4 비틀림 빛의 반그림자 영역에서의 ac-Stark 시프트 대 라비 주파수 비율이 가우시안 빛에 비해 현저히 감소하는가?

주요 결과

• 비틀림 빛(LG₀¹)의 횡방향 기울기는 강도 최소점에서 강도가 0임에도 불구하고 4²S₁/₂ ↔ 3²D₅/₂ 다중극 전이를 공명적으로 자극할 수 있음을 보여준다.
• 비틀림 빛의 반그림자 영역(위치 A)에서 측정된 다이폴 ac-Stark 시프트는 2π × 1.54(15) kHz이며, 이는 강도 최대점(위치 B)에서의 시프트의 약 0.70(25)%에 해당한다.
• 정규화된 잔여 다이폴 시프트 대 라비 주파수 비율(ξ)은 비틀림 빛의 어두운 중심부에서 가우시안 빛의 경우에 비해 2.5(9)% 감소하였다.
• ac-Stark 시프트 감소 현상은 이온 위치에서 강도가 없기 때문에 발생하며, 잔여 시프트는 비제로 전자기장 강도 영역으로의 열적 불확실성에 기인한다.
• 실험은 단일 광자가 원자 시스템에 스핀과 OAM을 모두 포함해 두 개의 각운동량 양자량을 전달할 수 있음을 확인하였으며, 기존의 다중극 선택 규칙을 위반한다.
• 결과적으로 OAM을 지닌 빛을 이용해 빛-물질 상호작용을 조절할 수 있으며, 이는 특히 광학 시계와 양자 논리 게이트에 있어 디코herence를 감소시키는 데 유리한 새로운 제어 매개변수로 활용될 수 있음을 보여준다.