[论文解读] Non-reciprocal Cavity Polariton with Atoms Strongly Coupled to Optical Cavity

Pengfei Yang, Ming Li+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2019

Mechanical and Optical Resonators参考文献 1被引用 9

一句话总结

该论文展示了一种基于多个铷原子强耦合至光学法布里-珀罗腔的无磁体、非互易腔极化子系统。通过将原子制备在自旋极化态，时间反演对称性被打破，实现了超过30 dB的单光子级别光隔离，且在零外磁场条件下得到验证，同时可通过原子态控制实现可重构的隔离方向。

ABSTRACT

Breaking the time-reversal symmetry of light is of great importance for fundamental physics and has attracted increasing interest in the study of non-reciprocal photonic devices. Here, we experimentally demonstrate a chiral cavity QED system with multiple atoms strongly coupled to a Fabry-Perot cavity. By polarizing the internal quantum state of the atoms, the time-reversal symmetry of the atom-cavity interaction is broken. The strongly coupled atom-cavity system can be described by non-reciprocal quasiparticles, i.e., the cavity polariton. When it works in the linear regime, the inherent nonreciprocity makes the system work as a single-photon-level optical isolator. Benefiting from the collective enhancement of multiple atoms, an isolation ratio exceeding 30~dB on the single-quanta level (~0.1 photon on average) is achieved. The validity of the non-reciprocal device under zero magnetic field and the reconfigurability of the isolation direction are also experimentally demonstrated. Moreover, when the cavity polariton works in the nonlinear regime, the quantum interference between polaritons with weak anharmonicity induces non-reciprocal nonclassical statistics of cavity transmission from coherent probe light.

研究动机与目标

• 在无外部磁场的光子系统中实现无磁体光学非互易性。
• 通过原子自旋态打破腔量子电动力学中的时间反演对称性。
• 通过多个原子的集体强耦合实现高保真度、单光子级别的光学隔离。
• 通过控制原子Zeeman态布居数实现隔离方向的可重构性。
• 研究弱非谐性条件下腔透射中的非线性非经典统计特性。

提出的方法

• 利用一个强耦合至冷87Rb原子系综的法布里-珀罗腔，原子处于自旋极化叠加态。
• 通过459 nm泵浦激光将原子制备在特定Zeeman亚能级（例如 mF = -4, -3）以打破时间反演对称性。
• 使用与 |6S1/2, F=4⟩ → |6P3/2, F=3⟩ 跃迁共振的探测场，采用σ⁻偏振探测透射特性。
• 使用速率方程模拟光学泵浦过程中的原子布居数动力学，基于Zeeman态布居数和耦合强度计算有效合作度 C_eff^±。
• 利用有效哈密顿量和输入-输出理论建模腔透射，透射率通过正文中的公式 (1) 计算。
• 通过实验测量隔离比和开关动力学，与原子布居数和透射演化理论模拟结果进行对比验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无外部磁场或交流驱动的腔-QED系统中实现非互易光传输？
• RQ2 集体原子耦合如何增强单光子级别下的非互易隔离？
• RQ3 是否可通过控制原子内部态实现隔离方向的动态重构？
• RQ4 原子自旋极化在打破腔光子时间反演对称性中起什么作用？
• RQ5 极化子中的量子干涉与弱非谐性如何导致腔输出的非互易非经典统计特性？

主要发现

• 系统在平均输入约0.1个光子时实现了超过30 dB的隔离比，证明了单光子级别的非互易性。
• 非互易性在无外部磁场条件下实现，完全依赖原子自旋极化打破时间反演对称性。
• 通过459 nm泵浦激光切换原子Zeeman态布居数，可实现隔离方向的可重构。
• 当原子从 mF = -4 被泵浦至 mF ≥ -2 时，探测光透射迅速关闭（毫秒量级），归因于强真空拉比分裂。
• 当从 mF = 4 开始时，透射开启过程较慢，因需将所有原子重新极化至 mF = -4 和 -3。
• 原子布居数和有效合作度的理论模拟与实验结果高度一致，证实了模型与控制机制的有效性。