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引言
. l* {$ P2 h7 I+ E$ A7 Z將冷原子與納米光子器件集成為量子傳感、計量和信息處理帶來了新的機遇。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[1]。
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9 m2 V7 P& O- r7 l5 E4 Q關(guān)鍵創(chuàng)新:簡并拉曼邊帶冷卻
+ a$ g3 Z) w" k0 V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并拉曼邊帶冷卻(dRSC)實現(xiàn)了高效的原子捕獲。一個關(guān)鍵的洞見是,微環(huán)的回廊模式(WGM)的倏逝場為原子創(chuàng)造了內(nèi)置的自旋-運動耦合。 }9 R! v. m5 j0 G* `# x0 M0 @, ^8 A
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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)微陷阱和虛擬磁場被捕獲。虛擬磁場實現(xiàn)了自旋-運動耦合,并通過簡并拉曼邊帶冷卻(dRSC)進行冷卻。原子陷阱的配置影響探測光的透射信號。
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如圖1所示,該裝置包括:一個從底部照射的光學(xué)引導(dǎo)(OG)束,創(chuàng)造一個漏斗狀的吸引勢。在微環(huán)中激發(fā)的藍失諧回廊模式 (WGM) 創(chuàng)造一個排斥性的倏逝場勢壘。一個偏置磁場,定義量子化軸。一個用于冷卻的光學(xué)泵浦束。# Y7 A7 S s% p K" T
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6 l% x+ f$ A- \' r冷卻機制) q7 O( t/ u6 Q$ ~5 m
WGM的倏逝場在波導(dǎo)上方約98%是圓偏振的。這造成了一個相當(dāng)于作用在原子上的虛擬磁場的位置依賴性矢量光移。場振幅沿z軸(垂直于芯片表面)呈指數(shù)衰減,導(dǎo)致顯著的自旋-運動耦合。
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這種耦合允許簡并拉曼邊帶冷卻:, A! Z6 m) j% _ y
虛擬場在相鄰磁能級的簡并陷阱態(tài)之間創(chuàng)造拉曼耦合。在蘭姆-迪克區(qū)域進行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)。4 E4 A* X; [: i- c
8 V9 h* U% P2 D- s6 ?9 n& Y實驗流程在距離電路較遠的光學(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。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被捕獲的原子。" R) _2 {/ a5 m* x5 t
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結(jié)果和分析
: a1 n1 W4 t8 ]( V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N≈70個原子。溫度:被捕獲的原子達到了低溫Ttrap≈23μK,對應(yīng)的平均振動量子數(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。
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& p6 P2 l7 o, G; `* v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,這可能是由于探測回廊模式(WGM)的反向散射造成的。
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圖2展示了一些關(guān)鍵的實驗結(jié)果:
/ h: a |4 f3 G. H& E(b) 不同數(shù)量被捕獲原子的穩(wěn)態(tài)透射譜。2 g' ?! q1 |: n& @
(c) 通過脈沖激發(fā)測量觀察到的超輻射衰減。
6 H; k% x: n# e) k; n% R) f' R(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。
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( `& \$ d) l5 [8 C' _7 T意義和未來方向8 H" `* U% F# x- R; |. B9 o0 `' |& B
這項工作代表了冷原子與集成納米光子電路接口的重大進展。潛在的應(yīng)用和未來方向包括:量子非線性光學(xué):實現(xiàn)的強集體耦合可能使少光子水平的光子-光子相互作用進入新的領(lǐng)域。量子模擬:該平臺可用于設(shè)計原子之間的長程相互作用,以模擬量子多體系統(tǒng)。量子傳感和計量: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。可擴展性:研究人員表示,通過將微陷阱擴展到覆蓋整個微環(huán)周長,被捕獲的原子數(shù)量可能至少增加10倍。進一步冷卻:通過實施更緊密的束縛(例如,使用雙色倏逝場陷阱),可能將原子冷卻到接近振動基態(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。+ q. t9 n# M$ H+ q
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結(jié)論
5 Y+ a- ^0 K3 \3 n9 ~4 r/ L4 mZhou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)域的重大進步。通過利用倏逝場的獨特性質(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遇。這項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)。
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3 L9 Q8 A' |3 g4 e9 Y0 g- t: G隨著該領(lǐng)域研究的進展,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。$ f4 T! \" z3 [
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, T5 T2 \- N) Q! m參考文獻 t7 T5 e6 L2 S
[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. 2024.4 M0 v% z4 |. \" n l5 }
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