[论文解读] Steady-state superradiance with Rydberg polaritons

Zhexuan Gong, Minghui Xu+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2016

Strong Light-Matter Interactions参考文献 1被引用 3

一句话总结

该论文提出一种稳态超辐射激光器，通过在具有窄光学跃迁的原子腔中嵌入里德堡介质，实现超窄线宽、非经典的光输出。里德堡阻塞效应诱导强腔非线性，使原子相位同步，并产生具有极锐中央峰的莫勒尔三峰结构，实现的线宽比经典超辐射激光器窄达100倍，同时保持非经典反聚束特性。

ABSTRACT

A steady-state superradiant laser can be used to generate ultranarrow-linewidth light, and thus has important applications in the fields of quantum information and precision metrology. However, the light produced by such a laser is still essentially classical. Here, we show that the introduction of a Rydberg medium into a cavity containing atoms with a narrow optical transition can lead to the steady-state superradiant emission of ultranarrow-linewidth $nonclassical$ light. The cavity nonlinearity induced by the Rydberg medium strongly modifies the superradiance threshold, and leads to a Mollow triplet in the cavity output spectrum$-$this behavior can be understood as an unusual analogue of resonance fluorescence. The cavity output spectrum has an extremely sharp central peak, with a linewidth that can be far narrower than that of a classical superradiant laser. This unprecedented spectral sharpness, together with the nonclassical nature of the light, could lead to new applications in which spectrally pure $quantum$ light is desired.

研究动机与目标

• 实现稳态超辐射并产生非经典、光谱纯净的光，以应用于量子计量和量子信息领域。
• 克服超辐射激光器中腔非线性与实现光谱压缩所必需的不良腔极限之间的根本性权衡。
• 证明通过里德堡介质实现的光子阻塞可同时实现强非线性和激光原子的相位同步。
• 设计一种输出光谱，其包含叠加在超锐中央峰上的莫勒尔三峰结构，实现亚散粒噪声限的光谱性能。
• 实现对高光谱纯度和非经典光有需求的新应用，如量子网络和亚散粒噪声光谱学。

提出的方法

• 利用里德堡介质在腔内诱导强光子阻塞，使腔模转变为有效两能级系统，从而阻止多光子占据。
• 利用里德堡介质中的集体增强效应，在无需单原子强耦合的条件下实现强非线性，同时保持与不良腔极限的兼容性。
• 使用含阻塞腔模有效两能级特性的主方程对系统进行建模，包括腔场和原子算符。
• 应用累积展开和绝热消去法，推导稳态腔场关联函数和线宽，考虑修改后的对易关系 $[b,b^{ullet}]=1-2b^{ullet}b$。
• 分析腔输出光谱，识别莫勒尔三峰结构，并揭示由于阻塞诱导的能量尺度而产生的超窄中央峰。
• 使用有效拉比频率 $\Omega_{\text{eff}}$ 和修改后的衰减速率 $\Gamma$ 描述输出光的动态特性和光谱特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在具有里德堡介质的腔中同时实现稳态超辐射和非经典光生成？
• RQ2 里德堡介质中的光子阻塞如何改变超辐射阈值和发射光的线宽？
• RQ3 腔输出的光谱结构是什么？是否能表现出具有超锐中央峰的莫勒尔三峰？
• RQ4 能否通过阻塞效应将线宽参数性地压缩至经典超辐射极限以下？
• RQ5 光谱压缩与窄谱分量功率之间的权衡是什么？如何缓解这一权衡？

主要发现

• 由于里德堡阻塞腔模形成的等效两能级系统，腔输出光谱表现出莫勒尔三峰结构。
• 光谱中出现超锐中央峰，其线宽 $\Gamma_{\min} = 2\tilde{\kappa}C\gamma$ 参数性地小于经典超辐射线宽 $C\gamma$。
• 当 $N = 10^6$ 个激光原子且 $\tilde{\kappa} \ll 1$ 时，线宽可比经典超辐射激光器窄达100倍。
• 输出光为非经典光，$g^{(2)}(t)$ 中明显表现出反聚束特性，这是由于光子发射后需经历拉比振荡时间才能重新填充阻塞腔。
• 光子通量在 $\langle b^\dagger b \rangle \approx 1/2$ 附近达到近似最大值，而窄谱分量所含功率比例与 $\langle 1 - 2b^\dagger b \rangle$ 成正比。
• 线宽压缩源于阻塞腔中的修改对易关系，该关系抑制了连续光子发射并重归一化了有效衰减速率。