[论文解读] Integrating a fiber cavity into a wheel trap for strong ion-cavity coupling

Markus Teller, Viktor Messerer+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 1

一句话总结

本文提出一种集成光纤法布里-珀罗腔的轮式陷阱离子阱，实现了多个⁴⁰Ca⁺离子与光子之间的强耦合。通过将腔体沿陷阱轴向对准并补偿光纤镜面的表面电荷，系统实现了2π × 16.6(3) MHz的真空拉曼劈裂，证实了在低微运动和低加热速率条件下的强耦合 regime 运行。

ABSTRACT

Data of the paper "Integrating a fiber cavity into a wheel trap for strong ion-cavity coupling"

研究动机与目标

• 为可扩展量子网络实现多个捕获离子与基于光纤的光学腔之间的强耦合。
• 通过将腔体沿陷阱轴向集成，消除多离子系统中的过剩微运动。
• 通过阱电极补偿，减轻介电光纤镜面表面电荷的影响。
• 测量紧凑型、光纤集成的离子-腔系统中的微运动和加热速率。
• 展示在微型化、光纤耦合平台中实现多离子强耦合的实验可行性。

提出的方法

• 将光纤法布里-珀罗腔（FFPC）集成到线性保罗轮式陷阱的中空直流电极中，光纤镜面凹入10(2) µm以减少充电效应。
• 利用有限元分析和COMSOL仿真模拟表面电荷和镜面位置对离子阱势的影响。
• 采用补偿电极以最小化x-y平面内的微运动，并稳定z轴方向的离子位置。
• 应用Pound–Drever–Hall反馈，通过石英V型槽上的压电促动器稳定腔长。
• 使用CO₂激光烧蚀在光纤端面制备近球形、高精细度的镜面（精细度 = 9.2(2)×10⁴），曲率半径分别为318(5) µm和312(5) µm。
• 在超高压真空（<1×10⁻¹⁰ mbar）中捕获⁴⁰Ca⁺离子，并利用激光光谱学测量微运动和加热速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在紧凑、集成化的阱结构中，能否实现多个离子与光纤腔之间的强耦合？
• RQ2 介电光纤镜面的表面电荷如何影响离子阱势和微运动？
• RQ3 通过将腔体沿阱轴向对齐并使用补偿电极，能否在多离子系统中最小化微运动？
• RQ4 与测试装置相比，集成离子-腔系统中的加热速率和微运动水平如何？
• RQ5 能否通过阱电极控制主动补偿表面电荷的影响？

主要发现

• 对于⁴⁰Ca⁺的|3²D₅/₂⟩到|4²P₃/₂⟩跃迁，离子-腔耦合强度达到g = 2π × 16.6(3) MHz，超过自发辐射速率γPS = 2π × 10.74 MHz。
• 系统处于强耦合 regime，由2π × 16.6(3) MHz的真空拉曼劈裂证实。
• 仿真显示，光纤镜面的表面电荷会显著扰动阱势，实验上通过阱电极补偿有效缓解了该影响。
• 测得的微运动振幅低于100 nm，表明过剩微运动得到有效抑制。
• 加热速率在测试装置和集成系统中分别为1.5(2)和2.1(3)量子/100 s，与表面电场噪声一致。
• 腔的精细度达到9.2(2)×10⁴，线宽为κ = 2π × 1.61(3) MHz，支持高保真度量子接口。