[论文解读] Repulsive Casimir-Polder potentials of low-lying excited states of a multilevel alkali-metal atom near an optical nanofiber

Fam Le Kien, Danil Kornovan+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2021

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect参考文献 74被引用 7

一句话总结

本文采用全延迟方法研究了近场光学纳米纤维附近的多能级铷原子低激发态的卡西米尔-珀德尔势。与处于基态时受到吸引势不同，某些激发态（尤其是8S₁/₂态）由于发射波与反射波之间的干涉，表现出排斥性、振荡性势能，在距离纤维表面约150 nm处达到约17 µK的峰值排斥势。

ABSTRACT

We study the Casimir-Polder potential of a multilevel alkali-metal atom near an optical nanofiber. We calculate the mean potential of the atom in a fine-structure level. We perform numerical calculations for the Casimir-Polder potentials of the ground state and a few low-lying excited states of a rubidium atom. We show that, unlike the potential of the ground state, which is negative and attractive, the potential of a low-lying excited state may take positive values, oscillate around the zero value with a decaying amplitude, and become repulsive in some regions of atom-to-surface distances. We observe that, for a nanofiber with a radius of 200 nm, the potential for the state $8S_{1/2}$ of a rubidium atom achieves a positive peak value of about 17 $\mu$K at a distance of about 150 nm from the fiber surface, and becomes rather strongly repulsive in the region of distances from 150 to 400 nm. We also calculate the nanofiber-induced shifts of the transition frequencies of the atomic rubidium $D_2$ and $D_1$ lines. We find that the shifts are negative in the region of short distances, become positive, and oscillate around the zero value with a decaying amplitude in the region of large distances.

研究动机与目标

• 研究多能级碱金属原子在光学纳米纤维附近的卡西米尔-珀德尔势，突破非延迟近似限制。
• 确定低激发态是否因延迟效应和波的干涉而经历排斥性卡西米尔-珀德尔力。
• 计算纳米纤维对铷D1和D2跃迁引起的频移。
• 为腔量子电动力学和原子捕获等实验应用提供位置依赖势能与频移的定量分析。

提出的方法

• 采用全延迟格林张量形式化方法，计算多能级碱金属原子在介质纳米纤维附近的卡西米尔-珀德尔势。
• 应用3j和6j符号的求和规则，对磁亚能级的角动量求和进行解析处理。
• 对铷-87的5S₁/₂基态和低激发态（如8S₁/2）进行数值计算。
• 利用格林张量G(sc)的散射部分，计算势能的非共振和共振贡献。
• 将纳米纤维视为半径200 nm、折射率基于实验数据的介质圆柱体。
• 计算D1和D2谱线的频移随原子与表面距离的变化关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 多能级碱金属原子的低激发态在光学纳米纤维附近是否可能经历排斥性卡西米尔-珀德尔势？
• RQ2 与基态相比，延迟效应如何影响激发态卡西米尔-珀德尔势的符号和振荡行为？
• RQ3 在半径200 nm的纳米纤维附近，铷原子8S₁/2态的排斥势峰的大小和空间范围如何？
• RQ4 D1和D2跃迁频率的纳米纤维诱导频移如何随距离变化？是否出现零点交叉并伴随振荡？
• RQ5 发射波与反射波之间的干涉效应在多大程度上导致激发态出现非单调、振荡性势能？

主要发现

• 铷原子8S₁/2态的卡西米尔-珀德尔势在距离纳米纤维表面约150 nm处达到约17 µK的正值峰值。
• 在距离纤维表面150–400 nm范围内，8S₁/2态的势能表现出强烈的排斥性。
• 低激发态的势能由于延迟效应和波的干涉，在零值附近呈现振幅衰减的振荡行为。
• D1和D2跃迁频率的频移在短距离时为负值，随后变为正值，并在远场区域呈现振幅减小的振荡。
• 基态势能始终保持吸引性且无振荡，与激发态中观察到的复杂行为形成鲜明对比。
• 结果表明，靠近纳米纤维的激发态原子可经历显著的排斥力，为量子调控与原子捕获开辟了新可能。