[論文レビュー] Single-artificial-atom lasing and its suppression by strong pumping

Sahel Ashhab, J. R. Johansson+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2008

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、基底状態から励起状態への電圧バイアスによる逆転緩下を介して人口逆転を達成する、キャビティに結合された1つの人工原子におけるレーザー発振を調査している。半古典的およびレート方程式モデルを用い、緩下率が閾値を超えるとレーザー発振が抑制される解析的条件を導出し、超伝導キュービットに関連する2準位および3準位原子モデルにおける数値シミュレーションで検証した。

ABSTRACT

We consider a system composed of a single artificial atom coupled to a cavity mode. The artificial atom is biased such that the most dominant relaxation process in the system takes the atom from its ground state to its excited state, thus ensuring population inversion. A recent experimental manifestation of this situation was achieved using a voltage-biased superconducting charge qubit. Even under the condition of `inverted relaxation', lasing action can be suppressed if the `relaxation' rate is larger than a certain threshold value. Using simple transition-rate arguments and a semiclassical calculation, we derive analytic expressions for the lasing suppression condition and the state of the cavity in both the lasing and suppressed-lasing regimes. The results of numerical calculations agree very well with the analytically derived results. We start by analyzing a simplified two-level-atom model, and we then analyze a three-level-atom model that should describe accurately the recently realized superconducting artificial-atom laser.

研究の動機と目的

• 非伝統的な緩下条件下におけるキャビティモードに結合された1つの人工原子におけるレーザー発振ダイナミクスを理解すること。
• 緩下率が臨界閾値を超える場合のレーザー発振抑制の課題に対処すること。
• 最近の超伝導キュービット実験を反映するために、2準位および3準位原子フレームワークを用いてシステムをモデル化すること。
• レーザー発振抑制の解析的条件を導出し、数値的に検証すること。

提案手法

• 電圧バイアスによって駆動される逆転緩下を有する2準位人工原子としてシステムをモデル化する。
• 半古典的理論およびレート方程式を用いて、キャビティ場および原子準位のダイナミクスを記述する。
• 実際の超伝導電荷キュービットの物理をよりよく捉えるために、3準位原子モデルを導入する。
• 遷移率に基づいて、レーザー発振閾値および抑制条件の解析的表現を導出する。
• 緩下率を変化させた場合の解析的予測と比較するため、数値シミュレーションを実施する。
• 遷移率の議論を用いて、レーザー発振が抑制される臨界緩下率を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基底状態から励起状態への逆転緩下を有するキャビティに結合された1つの人工原子において、どのような条件下でレーザー発振が生じるか？
• RQ2 緩下率を増加させると、レーザー発振の発生および安定性にどのように影響するか？
• RQ3 緩下率と結合強度の観点から、レーザー発振抑制の解析的閾値は何か？
• RQ4 2準位および3準位原子モデルは、実際の超伝導キュービット系におけるレーザー発振行動をどれほど正確に予測できるか？
• RQ5 レーザー発振および抑制レーザー発振状態の両方において、定常状態のキャビティ場の振幅は何か？

主な発見

• 緩下が基底状態から励起状態へとバイアスされることで、人口逆転が達成され、1つの人工原子においてもレーザー発振が可能である。
• 緩下率が臨界閾値を超えると、レーザー発振が抑制され、その閾値は原子-キャビティ結合強度に依存する。
• レート方程式から導出された解析的抑制条件は、数値シミュレーションと高い精度で一致する。
• 3準位原子モデルは、2準位モデルよりも実験的に実現された超伝導キュービットにおけるレーザー発振行動をより正確に記述する。
• 抑制レーザー発振状態ではキャビティ場の振幅が顕著に低下し、コherent放射から非coherent緩下への遷移が確認された。
• 臨界緩下率において、レーザー発振と非発振状態の間で急激な遷移を示し、明確な閾値が存在することが示された。