[论文解读] Optical wire trap for cold neutral atoms

Philipp Schneeweiß, Fam Le Kien+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2013

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 41被引用 14

一句话总结

该论文提出一种利用纳米纤维导引光场在‘调谐消除’波长（880.25 nm）下诱导的虚构磁场，对冷中性铯原子实现光学线阱的方案，其陷阱深度和频率与双色纳米纤维阱相当，但激光功率降低一个数量级。该方案使原子可被定位在距离光纤表面100–200 nm处，实现每个原子的光学深度超过0.4，从而支持高效的量子光学接口。

ABSTRACT

We propose a trap for cold neutral atoms using a fictitious magnetic field induced by a nanofiber-guided light field. In close analogy to magnetic side-guide wire traps realized with current-carrying wires, a trapping potential can be formed when applying a homogeneous magnetic bias field perpendicular to the fiber axis. We discuss this scheme in detail for laser-cooled cesium atoms and find trap depths and trap frequencies comparable to the two-color nanofiber-based trapping scheme but with one order of magnitude lower powers of the trapping laser field. Moreover, the proposed scheme allows one to bring the atoms closer to the nanofiber surface, thereby enabling efficient optical interfacing of the atoms with additional light fields. Specifically, optical depths per atom, $σ_0/A_{ m eff}$, of more than 0.4 are predicted, making this system eligible for nanofiber-based nonlinear and quantum optics experiments.

研究动机与目标

• 开发一种基于纳米纤维导引光场的低功率、高效率冷中性原子陷阱。
• 实现原子与光纤的间距比现有双色纳米纤维阱更近，以增强光学接口性能。
• 利用与磁性线阱的类比，实现与现有装载和冷却技术的兼容性。
• 实现每个原子的高光学深度（σ₀/A_eff > 0.4），以支持非线性和量子光学应用。
• 通过避免真实磁场并使用调谐消除波长，最小化自发散射和表面诱导退相干。

提出的方法

• 陷阱利用波长为880.25 nm的纳米纤维导引光场，该波长为133Cs的‘调谐消除’波长，以抵消标量光移位，从而分离出矢量极化率效应。
• 原子基态的矢量极化率产生一个与i[ℰ*×ℰ]成正比的虚构磁场B^fict，源于横向电场的圆偏振特性。
• 一个垂直于光纤轴的均匀外加磁场与B^fict耦合，通过塞曼移位形成径向陷阱势。
• 利用矢量极化率和光强计算径向陷阱深度与频率，陷阱最小值位于距离光纤表面100–200 nm处。
• 轴向约束通过外部非均匀磁场或反向传播的光纤模式实现，形成周期性陷阱位点。
• 通过标量和矢量散射系数估算散射速率，由于场的失谐接近D线，散射速率为1–10 s⁻¹。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用纳米纤维导引光场在调谐消除波长下，实现对冷铯原子的稳定、低功率光学线阱？
• RQ2 与双色阱相比，该虚构磁场方案可实现的陷阱深度和频率如何？
• RQ3 在保持低自发散射的前提下，被束缚原子可被拉近到距离纳米纤维表面多近？
• RQ4 可实现的每个原子的光学深度是多少？是否足以支持非线性或量子光学实验？
• RQ5 能否将既有的磁阱技术（如绝热装载、色散探测）适配到此光学线阱中？

主要发现

• 尽管激光功率降低一个数量级（1.2 mW），该光学线阱的陷阱深度和频率与双色纳米纤维阱相当。
• 原子可被限制在距离纳米纤维表面100–200 nm处，显著优于典型双色阱中的距离。
• 每个原子的光学深度σ₀/A_eff最高可达0.4，足以实现强光-物质耦合，支持量子光学实验。
• 尽管光强较低，由于场的失谐接近D线，自发散射速率仍保持在1–10 s⁻¹，与双色方案相当。
• 由于该方案在概念上与传统线阱相似，因此与既有的磁阱技术（如绝热装载和色散探测）兼容。
• 由于不存在真实磁场且纳米纤维表面为电介质，约翰逊噪声引起的自旋翻转可忽略不计。