[论文解读] Excitation of an Atomic Transition with a Vortex Laser Beam

Christian T. Schmiegelow, J. Schulz+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 29被引用 4

一句话总结

该论文展示了通过四极矩跃迁，将涡旋激光束的轨道角动量（OAM）转移到单个⁴⁰Ca⁺离子的内部电子态，证明即使在保持旋转对称性的情况下，单个光子仍可转移两个角动量量子。关键结果是在涡旋光束的暗核区域，偶极ac-Stark位移被抑制了97.5%，而相干拉比振荡仍能维持，从而实现退相干减少的高保真度量子操作。

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.

研究动机与目标

• 研究在保持旋转对称性的系统中，光子的轨道角动量（OAM）是否可被转移到原子内部自由度。
• 探讨横向场梯度在超越传统偶极选择定则的四极矩跃迁中的作用。
• 通过利用涡旋光束中心的光强零点，抑制ac-Stark位移——这对光学钟和量子逻辑门至关重要。
• 证明尽管光强趋近于零，相干耦合仍可在暗核区域持续存在，从而实现高保真度量子操作。

提出的方法

• 将单个⁴⁰Ca⁺离子捕获于微结构Paul阱中，并激光冷却至接近运动基态。
• 利用全息相位板将钛蓝宝石激光整形为拉盖尔-高斯（LG）模式（LG₀ˡ，其中l = 0, ±1, ±2），生成具有特定OAM的涡旋光束。
• 将离子置于光束的光强最小点（半影区），该区域场梯度较高但光强接近零，从而最小化ac-Stark位移。
• 通过测量涡旋光束驱动⁴²S₁/₂ ↔ ³²D₅/₂四极矩跃迁时的拉比频率，并利用荧光成像探测相干布居振荡。
• 采用Ramsey干涉测量法，在不同光束构型下测量ac-Stark位移，比较光强最小点（横向梯度）与光强最大点（纵向梯度）的情况。
• 通过减去四极矩贡献并归一化至光强，提取归一化的校正ac-Stark位移，从而直接比较位移与耦合强度的比值。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使在保持旋转对称性的情况下，单个光子的轨道角动量（OAM）是否仍可被转移至原子的内部电子态？
• RQ2 当光束中心光强为零时，涡旋光束的横向场梯度是否仍能实现四极矩跃迁的相干激发？
• RQ3 在涡旋光束的暗核区域，偶极ac-Stark位移能在多大程度上被抑制，同时保持强相干耦合？
• RQ4 与高斯光束相比，涡旋光束半影区的ac-Stark位移与拉比频率之比是否显著降低？

主要发现

• 涡旋光束（LG₀¹）的横向梯度可在光束光强最小点（光强为零）实现⁴²S₁/₂ ↔ ³²D₅/₂四极矩跃迁的相干激发。
• 在涡旋光束半影区（位置A）测得偶极ac-Stark位移为2π × 1.54(15) kHz，仅相当于光强最大点（位置B）位移的0.70(25)%。
• 与高斯光束相比，涡旋光束暗核区域的归一化残余偶极位移与拉比频率之比（ξ）降低了2.5(9)%。
• 测得的ac-Stark位移抑制归因于离子位置处无光强，残余位移源于热涨落进入非零场强区域。
• 实验证实，单个光子可将两个角动量量子（自旋 + OAM）转移至原子系统，违反标准偶极选择定则。
• 结果表明，携带OAM的光束可作为新型调控参数，用于设计退相干减少的光-物质相互作用，尤其有利于光学钟和量子逻辑门。