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整理:林晃岩教授、廖玮珅 —
捕获单一原子
在光子学(photonics)中有一个非常重要的目标是利用原子系统以整合奈米光子学。虽然使用空腔量子电动力学(cavity quantum electrodynamics)和奈米介电波导(nanoscale dielectric waveguides)在这领域内已有很大的进展,但美国加州理工学院的研究人员提出另一种令人兴奋的可能性─原子物理和光子晶体波导的结合(Appl. Phys. Lett. 104, 111103; 2014)。Su-Peng Yu和Jonathan D. Hood及他们的共同研究伙伴使用四氮化三硅(Si3N4)奈米线制造可调控色散之光子晶体波导(dispersion-engineered photonic-crystal waveguides),可以用来捕获单一原子以及产生强烈的光与物质交互作用。
这种光子晶体波导最关键的组件是由两个平行的一个四氮化三硅(Si3N4)
组成的“鳄鱼口状”
(alligator)的光子晶体波导区域(如图1所示),其外缘是由正弦调制而成,其内缘是线型且中间有一个固定宽度缝隙。波导被设计为下层(介电层)和上层(空气层)的能带边缘分别接近铯原子的D1和D2跃迁(如图2所示)。这样的组态允许铯原子被限制在波导里面,乃藉由使用一个从D1线往蓝偏(blue-detuned)的介电能带(dielectric-band)当作一个捕获光束,与从D2线往红偏(red-detuned)的空气能带当作一个探针来捕获原子。如图3(c)所示,铯原子会藉由介电能带模态强度的零点,被局限在X-Y平面的区域;如图3(d)与3(e)所示,根据Casimir–Polder 位能原理,铯原子会被局限在Z方向;而其它的导波模态会增强Z方向的局限。
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图1、核心部分“鳄鱼口状”光子晶体波导区域。 |
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图2、鳄鱼口状(alligator)波导组件的基本类TE模态的光子能带结构。 |
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图3、鳄鱼口状(alligator)波导组件的(a)空气能带模态;(b)组件几何结构;(c)介电能带模态;(d)与(e)是Z与Y方向的Casimir–Polder位能;(f)1D与自由空间模态的衰减速率。 |
研究人员指出对于包含光学捕获超冷原子的量子光学与原子物理实验中之原子光子混成系统,这些光子晶体波导可以满足以下五个条件,明确的说:这些光子晶体波导(1)能用足够高的精度来制造,以允许有效产生接近原子之电子跃迁的光子能带;(2)能稳定的捕获原子,同时实现一个强大的原子和场交互作用;(3)能够有效的和奈米光子组件的波导模态相互耦合;(4)提供有效光学的激光冷却和捕获;(5)具有低的光吸收和高热传导能力,因此能够有1mK的局限深度(trap depth)。
研究团队认为这种光子晶体波导技术对于超冷原子实验及奈米光子芯片为主的光学电路研究将有重大进展。他们预期如果能透过减少在奈米线波导的光学吸收和散射损失,将有助于进一步使用偏离共振之波导模态(far-off-resonance guided modes)的场来进行原子捕捉。
参考资料: |
1. Simon Pleasants, Photonic-crystal waveguides: Trapping single atoms, Nature Photonics 8, 427 (2014). doi:10.1038/nphoton.2014.131.
http://www.nature.com/nphoton/journal/v8/n6/full/nphoton.2014.131.html
2. S.-P. Yu, J. D. Hood, J. A. Muniz, M. J. Martin, Richard Norte, C.-L. Hung, Sean M. Meenehan, Justin D. Cohen, Oskar Painter, and H. J. Kimble,
Nanowire photonic crystal waveguides for single-atom trapping and strong light-matter interactions, Appl. Phys. Lett. 104, 111103 (2014). doi: 10.1063/1.4868975 |
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