[论文解读] Lasing at arbitrary frequencies with atoms with broken inversion symmetry and an engineered electromagnetic environment

Michael Marthaler, Martin Koppenhöfer+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2016

Mechanical and Optical Resonators被引用 3

一句话总结

本文提出一种新型激光机制，利用具有反演对称性破缺的人工原子，通过与设计的电磁环境纵向耦合，实现多光子跃迁。通过调节谱密度，使其包含一个与原子跃迁能量频率匹配的尖锐腔模和一个展宽的耗散峰，即使在室温下也能实现以尖锐模频率为中心的激光输出，从而通过共振多光子过程实现有效布居反转，达成宽带太赫兹激光输出。

ABSTRACT

With the purpose to devise a novel lasing scheme, we consider a two level system with both a transversal and longitudinal coupling to the electromagnetic field. If the longitudinal coupling is sufficiently strong, multi-photon transitions become possible. We assume furthermore that the electromagnetic environment has a spectrum with a single sharp resonance, which serves as a lasing cavity. Additionally, the electromagnetic environment should have a very broad resonance around a frequency which differs form the sharp resonance. We use the polaron transformation and derive a rate equation to describe the dynamics of such system. We find that lasing at the frequency of the sharp mode is possible, if the energy difference of the atomic transition is similar to the sum of the frequencies of both peaks in the spectral function. This allows for the creation of lasing over a large frequency range and may in perspective enable THz lasing at room temperature.

研究动机与目标

• 开发一种新型激光方案，实现在任意频率下的相干光发射，尤其适用于太赫兹波段。
• 通过利用具有反演对称性破缺的人工原子，克服传统激光依赖对称原子系统布居反转的局限性。
• 通过利用具有展宽谱峰和尖锐腔模的耗散环境，实现室温下的激光输出。
• 证明通过纵向耦合实现的多光子跃迁可产生有效布居反转，而无需强外部泵浦。

提出的方法

• 将系统建模为同时具有横向和纵向耦合到电磁场的两能级原子，其中纵向耦合使多光子跃迁成为可能。
• 设计电磁环境，使其具有一个尖锐共振（激光腔）和一个展宽共振（耗散热库），其峰值频率与腔模频率相差原子跃迁能量。
• 对哈密顿量应用自旋极化子变换，以将系统与热库解耦，简化跃迁速率的分析。
• 推导速率方程以描述动力学，假设低温热库下计算光子发射与吸收速率。
• 谱函数通过Fano型共振与展宽连续谱建模，实现对腔模和热库的可调耦合。
• 在弱耦合与强耦合两个区域分别获得平均光子数的解析解，基于共振条件与低温极限进行近似。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过具有反演对称性破缺的人工原子与设计电磁环境，在任意频率下实现激光？
• RQ2 纵向耦合如何实现多光子跃迁，从而支持有效布居反转？
• RQ3 电磁环境谱密度需满足何种条件，才能在尖锐腔模频率下维持激光？
• RQ4 该机制是否能支持太赫兹波段的室温激光，特别是对量子点或超导量子比特系统？
• RQ5 展宽耗散热库在促进光子发射的同时，如何实现腔内光子的长寿命？

主要发现

• 当原子跃迁能量 ΔE 与腔模频率 Ω 和展宽谱密度峰值频率 ωL 之和匹配时，即 ΔE ≈ Ω + ωL，可在尖锐腔模频率下实现激光。
• 腔内平均光子数为 ⟨n⟩ ≈ (Γ²ωL)/(2εCg²sin²θcos²θ) × exp(4εCcos²θ/ωL)，表明其随耦合强度增加呈指数增强。
• 当光子数较大时，需满足 Γ+ ≫ κ，且有效耦合 g 必须满足 g²sin²θ ≪ Γ²/⟨n⟩，以确保腔模主导于热库。
• 当 kBT ≪ ωL 时，系统即使在室温下也能实现激光，为量子点或超导量子比特系统实现潜在太赫兹激光提供可能。
• 光子数随比值 εCcos²θ/ωL 呈指数增长，表明调节环境谱形可显著增强激光效率。
• 推导的速率方程与极化子变换方法可系统分析非马尔可夫、结构化环境中的多光子过程与跃迁速率。