[論文レビュー] Quantum Assisted Electrometry using Bright Atomic Resonances

Jonathon Sedlacek, Arne Schwettmann+4 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2012

Quantum optics and atomic interactions参考文献 21被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、ラビット原子を用いた電磁誘導透過（EIT）構成における量子補助電磁計測法を提案し、高感度で高周波（RF）電界を検出する。RF電界が引き起こすEIT信号における明るい共鳴を活用することで、感度は約30 μV cm⁻¹ √Hz⁻¹に達し、最小検出電界は約8 μV cm⁻¹にまで低下する。これは主にレーザー帯域幅に制限されており、RF電界測定におけるトレーサブルな量子基準への道筋を提供する。

ABSTRACT

We demonstrate a new method for measuring radio frequency (RF) electric fields based on quantum interference in an atom. Using a bright resonance prepared within an electromagnetically induced transparency window we are able to achieve a sensitivity of ~ 30 μV cm^-1 sqrt(Hz)^-1. For this work, we demonstrated detection of RF electric fields as small as ~ 8 μV cm^-1. The sensitivity is currently limited by the spectral bandwidth of the lasers used in the experiment and can be significantly improved in the future. The method can serve as a new quantum based standard for RF electrometry. The reproducibility, accuracy and stability of using a quantum system for measuring RF electric fields promises to advance electrometry to the current levels of magnetometry.

研究の動機と目的

• 量子系を用いた新しいトレーサブルなRF電界測定法の開発を目的とし、電磁計測分野における量子ベースの基準の欠如に応える。
• アンテナベースのセンサの幾何的依存性、場の干渉、干渉などの制限を克服し、原子系を場のプローブとして用いることで、それらの問題を回避する。
• EIT窓内におけるラビット原子内の量子干渉を用いて、弱いRF電界の高感度検出を実証する。
• 時間計測や磁気計測分野におけるそれと同等の将来の量子基準の基盤を構築する。
• 光学的読み出しによる原子応答を用いて、マイクロメータースケールの高空間分解能、近場測定を可能にする。

提案手法

• 4準位のラビット原子系をラダー構成で用い、87Rbの遷移にチューニングされた2つのレーザー光（プローブ光とカップリング光）によりEITを生成する。
• RF電界はレーザー光に対して垂直に印加され、約14.233 GHzのラビット状態53D5/2 → 54P3/2遷移に結合する。
• RF電界によりEIT透過信号に明るい共鳴が誘発され、22 kHzで変調されたカップリング光に対するロックイン増幅により検出される。
• デコherenceおよび崩壊項を含む密度行列アプローチを用いたマスター方程式を用いて系をモデル化し、ステディステートで解き、ドーピラー幅を考慮するためマクスウェル＝ボルツマン速度分布に平均化する。
• 2光子帯域幅とレーザーロック誤差信号の畳み込みから、レーザー線幅を約700 kHzと推定する。
• シリコンフォトダイオードによる光学的読み出しにより、マイクロメータースケールの空間分解能が達成され、近場測定が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラビット原子内の量子干渉を用いて、弱いRF電界を高感度で検出可能か？
• RQ2 EIT信号は、RF電界強度の感度の高いプローブとしてどの程度有効に利用可能か？
• RQ3 この量子電磁計測法において、レーザー周波数スペクトル帯域幅が達成可能な感度にどのように制限を及えるか？
• RQ4 この手法は、トレーサブルで安定的かつ再現可能なRF電界測定基準を提供可能か？
• RQ5 この原子系量子センサを用いた場合、最小検出可能なRF電界振幅はどの程度か？

主な発見

• 本手法は、実験で使用されたレーザーのスペクトル帯域幅に制限されながらも、感度約30 μV cm⁻¹ √Hz⁻¹を達成した。
• 最小検出可能なRF電界振幅は約8 μV cm⁻¹であり、ポックルス効果センサなどの既存手法と比較して優れた性能を示した。
• 検出メカニズムは、RF電界によって誘発されるEIT信号内の明るい共鳴に依存しており、これはEIT透過プロファイルのシフトおよび変形として観測された。
• 光学的プローブによる原子系の測定により、マイクロメータースケールの空間分解能が達成され、近場測定が可能になった。
• 本手法は1次元または2次元のアレイにスケーラブルであり、マイクロセルを用いたミニチュア化にも適しており、光ファイバーを用いた読み出しの実装も可能である。
• 将来的には偏光に敏感な測定が可能になる可能性があるが、本研究ではその詳細は示されていない。