[论文解读] Observation of oscillatory Raman gain associated with two-photon Rabi oscillations of nanofiber-coupled atoms

Christian Liedl, Sebastian Pucher+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2022

Quantum optics and atomic interactions参考文献 33被引用 3

一句话总结

本研究展示了在通过探测光场和自由空间耦合光场驱动进入双光子拉比振荡的纳米光纤耦合铯原子系综中，观测到振荡的拉曼增益与吸收。通过利用原子介导的相干光子交换，作者观测到探测光透射率的相干振荡，测得双光子拉比频率为 2π × 2.63(3) MHz，证实了广义拉比频率标度关系，并通过阿特勒-托恩斯劈裂实现了耦合强度的标定。

ABSTRACT

Quantum emitters with a $\Lambda$-type level structure enable numerous protocols and applications in quantum science and technology. Understanding and controlling their dynamics is, therefore, one of the central research topics in quantum optics. Here, we drive two-photon Rabi oscillations between the two ground states of cesium atoms and observe the associated oscillatory Raman gain and absorption that stems from the atom-mediated coherent photon exchange between the two drive fields. The atoms are efficiently and homogeneously coupled with the probe field by means of a nanofiber-based optical interface. We study the dependence of the two-photon Rabi frequency on the system parameters and observe Autler-Townes splitting in the probe transmission spectrum. Beyond shedding light on the fundamental processes underlying two-photon Rabi oscillations, our method could also be used to investigate (quantum) correlations between the two drive fields as well as the dynamical establishment of electromagnetically induced transparency.

研究动机与目标

• 主要目标是观测并表征在Λ型原子系统中与双光子拉比振荡相关的相干、振荡拉曼增益与吸收动力学。
• 本研究旨在实现铯原子与纳米光纤导引探测光场之间高效且均匀的耦合，以增强光与物质的相互作用。
• 关键目标之一是测量双光子拉比频率随探测光功率和双光子失谐的变化关系，以验证理论预测。
• 作者旨在通过探测透射谱中的阿特勒-托恩斯劈裂对耦合拉比频率进行标定。
• 本工作还旨在为未来研究驱动场之间的量子关联以及电磁感应透明的动力学形成提供基础。

提出的方法

• 利用蓝失谐运行波与红失谐驻波捕获场的组合，将激光冷却的铯原子系综捕获在锥形光学纳米光纤的腰部附近。
• 探测激光场由纳米光纤引导，并通过倏逝场与原子耦合，而耦合场则在自由空间中施加，以驱动双光子拉比跃迁。
• 系统初始化为有效双能级系统中完全布居反转的状态，从而在开启耦合场时可观测到拉曼增益。
• 通过单光子计数模块测量时间分辨的探测光透射率，以追踪振荡增益与吸收的动力学行为。
• 通过将透射率振荡拟合至包含有效拉比频率 Ω̃、衰减速率 Γ̃ 和光学深度 ÕD 作为自由参数的广义拉比模型，提取双光子拉比频率。
• 通过探测透射谱中观测到的阿特勒-托恩斯劈裂对耦合强度进行标定，从而实现对拉比频率标度关系的独立验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在纳米光纤耦合的原子系统中，双光子拉比频率如何随探测光功率和双光子失谐变化？
• RQ2 在Λ型系统中，双光子拉比振荡期间是否能实验观测到振荡的拉曼增益与吸收？
• RQ3 所测得的拉比频率与广义拉比频率 Ω̃g = (Ω̃² + δ̃²)¹/² 的一致性如何？
• RQ4 是否能通过探测透射谱中的阿特勒-托恩斯劈裂可靠标定耦合拉比频率？
• RQ5 从透射动力学拟合中推断出的有效光学深度与激发态布居数分别是多少？

主要发现

• 实验测得双光子拉比频率为 2π × 2.63(3) MHz，与独立估算值 2π × 2.83 MHz 良好一致。
• 振荡探测透射率表现出最大透射系数约为 ≈2.0 的拉曼增益，随后在增益与吸收之间呈现相干振荡。
• 双光子拉比频率与广义拉比频率 Ω̃g = (Ω̃² + δ̃²)¹/² 成比例，拟合得到共振时 Ω̃ = 2π × 2.12(4) MHz。
• 拉比频率随探测光功率按 √Pp 增加，拟合参数 A = 2π × 138(3) kHz/√pW，与理论预期一致。
• 有效光学深度确定为 ÕD = 5.6(2)，平均激发态布居数为 ρee = 0.100(1)。
• 在探测透射谱中观测到阿特勒-托恩斯劈裂，实现了耦合拉比频率的标定，测得 β = 0.0171(8)，与理论预测基本一致。