[论文解读] Continuous collective strong coupling between atoms and a high finesse optical cavity

Julia Cline, Vera M. Schäfer+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 6

一句话总结

本论文展示了将高达10⁶个⁸⁸Sr原子持续加载至高精细度环形腔中，通过移动光晶格实现连续输运，实现了持续的强集体耦合，表现为¹S₀–³P₁跃迁的真空拉比劈裂为7.5 kHz。该系统实现了原子远离冷却激光的确定性输运，降低了退相干，为实现线宽达毫赫兹量级的连续波自发放射激光铺平了道路。

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.

研究动机与目标

• 实现将超冷原子持续加载至高精细度光学腔体，同时保持强集体耦合。
• 通过使用移动的腔内光晶格将原子从冷却区域输运至低退相干区域，最小化退相干。
• 实现连续运行，以应用于量子计量学，包括连续波自发放射激光和高精度频率参考。
• 在腔体内实现原子的确定性传送带，减少死时间并提高信噪比。
• 构建一个用于连续腔增强量子技术的平台，包括量子纠缠制备和非线性光谱学。

提出的方法

• 原子从三维窄线宽激光冷却的摩拉斯态加载至环形腔中，避免了大梯度磁场引起的跃迁展宽。
• 使用波长为813 nm的移动光晶格沿腔轴输运原子，将原子从冷却区域移至低退相干区域。
• 通过调谐激光探测腔体透射率测量真空拉比劈裂，冷却激光在70 μs内关闭以分辨未展宽的峰。
• 系统采用高精细度环形腔，精细度约为10⁵，实现强耦合和长光子存储时间。
• 通过腔体透射率测量原子数和相空间密度，光晶格中达到Tᵣ = 10(2) μK和T_z = 9(1) μK。
• 腔体锁定在¹S₀–³P₁跃迁共振附近（线宽7.5 kHz），30°倾斜的磁场引起的塞曼分裂使耦合可延伸至全部三个塞曼亚能级。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在保持强集体耦合的同时，实现将超冷原子持续加载至高精细度光学腔体？
• RQ2 能否通过腔体内原子的确定性输运，减少残余激光冷却光束引起的退相干？
• RQ3 连续运行是否能实现真正意义上的长时间尺度连续真空拉比劈裂观测？
• RQ4 原子通量和耦合强度是否能达到连续波自发放射激光的阈值？
• RQ5 该系统能否作为稳定、高通量的连续量子计量和精密测量源？

主要发现

• 系统实现了每秒2.1(3)×10⁷个⁸⁸Sr原子的连续原子通量进入腔体，超过连续自发放射激光的阈值。
• 观测到7.5 kHz的真空拉比劈裂，且线宽未展宽，证实了在连续工作状态下存在强集体耦合。
• 最多有1×10⁶个原子被束缚在813 nm腔内光晶格中，相空间密度为7(2)×10⁻⁵，表明系统具有高简并度。
• 光晶格中径向和轴向温度分别测量为10(2) μK和9(1) μK，证实处于兰姆-迪克特区。
• 系统在所有激光开启数小时内持续观测到真正的连续真空拉比劈裂，证实了稳定运行。
• 实现的原子通量超过连续自发放射激光所需阈值2.7×10⁶个原子/秒（基于先前脉冲实验的去相位率估算）。