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引言- q4 C$ }* Q% v- u, X
將冷原子與納米光子器件集成為量子傳感、計(jì)量和信息處理帶來了新的機(jī)遇。然而,在集成光電子線路上高效捕獲大量原子一直是重大挑戰(zhàn)。在本文中將探討Zhou等人展示的突破性技術(shù),可以直接在納米光電子微環(huán)諧振器上裝載和捕獲冷原子團(tuán)[1]。
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" `( o \% h5 i# O關(guān)鍵創(chuàng)新:簡(jiǎn)并拉曼邊帶冷卻 `3 e' O- [" R/ ?4 ]
研究人員通過在硅氮化物微環(huán)諧振器上方形成的微陷阱中采用簡(jiǎn)并拉曼邊帶冷卻(dRSC)實(shí)現(xiàn)了高效的原子捕獲。一個(gè)關(guān)鍵的洞見是,微環(huán)的回廊模式(WGM)的倏逝場(chǎng)為原子創(chuàng)造了內(nèi)置的自旋-運(yùn)動(dòng)耦合。5 ~! Z/ I+ ]5 V
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圖1. 這幅圖說明了在納米光子微環(huán)電路上捕獲原子的過程。冷原子通過光學(xué)微陷阱和虛擬磁場(chǎng)被捕獲。虛擬磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了自旋-運(yùn)動(dòng)耦合,并通過簡(jiǎn)并拉曼邊帶冷卻(dRSC)進(jìn)行冷卻。原子陷阱的配置影響探測(cè)光的透射信號(hào)。- {" a. d" d. |- B t8 v3 `0 ~0 m
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如圖1所示,該裝置包括:一個(gè)從底部照射的光學(xué)引導(dǎo)(OG)束,創(chuàng)造一個(gè)漏斗狀的吸引勢(shì)。在微環(huán)中激發(fā)的藍(lán)失諧回廊模式 (WGM) 創(chuàng)造一個(gè)排斥性的倏逝場(chǎng)勢(shì)壘。一個(gè)偏置磁場(chǎng),定義量子化軸。一個(gè)用于冷卻的光學(xué)泵浦束。
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冷卻機(jī)制% x) V; J) x( t1 P$ j9 O0 M0 m% g! I
WGM的倏逝場(chǎng)在波導(dǎo)上方約98%是圓偏振的。這造成了一個(gè)相當(dāng)于作用在原子上的虛擬磁場(chǎng)的位置依賴性矢量光移。場(chǎng)振幅沿z軸(垂直于芯片表面)呈指數(shù)衰減,導(dǎo)致顯著的自旋-運(yùn)動(dòng)耦合。 F' v0 z3 S* d5 K) p. h7 E, Y
1 O- a: ~6 }8 ]- _3 I! W% G這種耦合允許簡(jiǎn)并拉曼邊帶冷卻:% E0 B) X% S( g' t
虛擬場(chǎng)在相鄰磁能級(jí)的簡(jiǎn)并陷阱態(tài)之間創(chuàng)造拉曼耦合。在蘭姆-迪克區(qū)域進(jìn)行σ+躍遷的光學(xué)泵浦允許被捕獲的原子被泵浦到能量降低的暗態(tài)。; V. n' o6 V. a" ~
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實(shí)驗(yàn)流程在距離電路較遠(yuǎn)的光學(xué)漏斗中使用磁光陷阱(MOT)預(yù)冷銫原子。引導(dǎo)原子向表面微陷阱移動(dòng)。執(zhí)行dRSC以冷卻靠近表面的引導(dǎo)原子。通過原子引起的微環(huán)透射譜中的透明度來檢測(cè)被捕獲的原子。
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% ]' R: B3 O, t6 Y6 j) v& ?結(jié)果和分析
% h9 \. W9 |! R J! T% z2 c研究人員使用這種技術(shù)取得了顯著的結(jié)果:陷阱壽命:他們展示了在|F=3, mF=3?態(tài)極化的被捕獲原子的單體壽命約為230毫秒。通過連續(xù)冷卻,壽命延長(zhǎng)到接近一秒。被捕獲原子數(shù)量:該技術(shù)允許在約10立方微米的小微陷阱體積中捕獲多達(dá)N≈70個(gè)原子。溫度:被捕獲的原子達(dá)到了低溫Ttrap≈23μK,對(duì)應(yīng)的平均振動(dòng)量子數(shù)ν?≈14。協(xié)同耦合:被捕獲的原子表現(xiàn)出大的協(xié)同耦合和向微環(huán)的WGM的超輻射衰減。! S2 g- c' U5 e; B
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4 R4 Y) c' [/ V, Z3 g H+ @ f# I圖2. 這幅圖展示了被捕獲原子中觀察到的協(xié)同耦合和超輻射衰減。通過控制陷阱中的原子數(shù)量,測(cè)量了穩(wěn)態(tài)透射譜和脈沖激發(fā)衰減率。結(jié)果顯示了協(xié)同度與衰減率之間的關(guān)系,衰減率隨著協(xié)同度的增加而增加。觀察到的衰減率略低于理論預(yù)期,這可能是由于探測(cè)回廊模式(WGM)的反向散射造成的。; T- s4 b" P+ L0 r; h5 k# d- T
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圖2展示了一些關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:
+ F, s4 n: k" a: ^: \. ~(b) 不同數(shù)量被捕獲原子的穩(wěn)態(tài)透射譜。9 n+ H1 c' T6 E/ ]
(c) 通過脈沖激發(fā)測(cè)量觀察到的超輻射衰減。3 P V" D& y4 F( K
(d) 歸一化衰減率與協(xié)同度的關(guān)系,顯示了原子-光子耦合的集體增強(qiáng)。
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$ v9 @4 q' e& {( @; b意義和未來方向8 n! [) e' ], l$ `; F3 a+ I" ?
這項(xiàng)工作代表了冷原子與集成納米光子電路接口的重大進(jìn)展。潛在的應(yīng)用和未來方向包括:量子非線性光學(xué):實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)集體耦合可能使少光子水平的光子-光子相互作用進(jìn)入新的領(lǐng)域。量子模擬:該平臺(tái)可用于設(shè)計(jì)原子之間的長(zhǎng)程相互作用,以模擬量子多體系統(tǒng)。量子傳感和計(jì)量:芯片上大量集體耦合的原子可能提高原子干涉儀和原子鐘的靈敏度。量子化學(xué):該技術(shù)可能擴(kuò)展到捕獲和研究超冷分子,為量子水平的可控化學(xué)開辟新途徑。可擴(kuò)展性:研究人員表示,通過將微陷阱擴(kuò)展到覆蓋整個(gè)微環(huán)周長(zhǎng),被捕獲的原子數(shù)量可能至少增加10倍。進(jìn)一步冷卻:通過實(shí)施更緊密的束縛(例如,使用雙色倏逝場(chǎng)陷阱),可能將原子冷卻到接近振動(dòng)基態(tài),并抑制非彈性碰撞。增加耦合:將原子轉(zhuǎn)移到更靠近表面的更緊密陷阱(z_c≈100 nm)可能顯著增加單原子協(xié)同度到C_1?10。
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* a3 }& a- ~; v7 B結(jié)論+ k# s0 M Y+ M4 C# R& n' S
Zhou等人展示的在納米光子電路上捕獲原子的技術(shù)代表了量子光學(xué)和原子物理領(lǐng)域的重大進(jìn)步。通過利用倏逝場(chǎng)的獨(dú)特性質(zhì)并采用巧妙的冷卻策略,他們?yōu)樵诩晒庾有酒蟿?chuàng)建大量集體耦合的原子開辟了新的機(jī)遇。這項(xiàng)工作為量子信息處理、傳感和基礎(chǔ)物理研究的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。- b( ^9 E! N* J6 O
5 [. c$ d5 {/ D% Y隨著該領(lǐng)域研究的進(jìn)展,可以期待看到更加復(fù)雜的原子-納米光子接口,可能導(dǎo)致緊湊、可擴(kuò)展的量子器件,結(jié)合原子系統(tǒng)和集成光子學(xué)的最佳特性。這項(xiàng)開創(chuàng)性研究展示的創(chuàng)新為芯片上的量子技術(shù)未來帶來了新的可能性。
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參考文獻(xiàn), x" r" }1 {+ I" B8 e0 m% t: p6 W
[1] X. Zhou, H. Tamura, T.-H. Chang, and C.-L. Hung, "Trapped Atoms and Superradiance on an Integrated Nanophotonic Microring Circuit," Phys. Rev. X, vol. 14, no. 3, p. 031004, Jul. 2024.
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