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資料提供:影像顯示科技知識平台 (DTKP, Display Technology
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整理:林晃巖教授、廖瑋珅 —
捕獲單一原子
在光子學(photonics)中有一個非常重要的目標是利用原子系統以整合奈米光子學。雖然使用空腔量子電動力學(cavity quantum electrodynamics)和奈米介電波導(nanoscale dielectric waveguides)在這領域內已有很大的進展,但美國加州理工學院的研究人員提出另一種令人興奮的可能性─原子物理和光子晶體波導的結合(Appl. Phys. Lett. 104, 111103; 2014)。Su-Peng Yu和Jonathan D. Hood及他們的共同研究夥伴使用四氮化三矽(Si3N4)奈米線製造可調控色散之光子晶體波導(dispersion-engineered photonic-crystal waveguides),可以用來捕獲單一原子以及產生強烈的光與物質交互作用。
這種光子晶體波導最關鍵的元件是由兩個平行的一個四氮化三矽(Si3N4) 組成的“鱷魚口狀” (alligator)的光子晶體波導區域(如圖1所示),其外緣是由正弦調制而成,其內緣是線型且中間有一個固定寬度縫隙。波導被設計為下層(介電層)和上層(空氣層)的能帶邊緣分別接近銫原子的D1和D2躍遷(如圖2所示)。這樣的組態允許銫原子被限制在波導裡面,乃藉由使用一個從D1線往藍偏(blue-detuned)的介電能帶(dielectric-band)當作一個捕獲光束,與從D2線往紅偏(red-detuned)的空氣能帶當作一個探針來捕獲原子。如圖3(c)所示,銫原子會藉由介電能帶模態強度的零點,被侷限在X-Y平面的區域;如圖3(d)與3(e)所示,根據Casimir–Polder 位能原理,銫原子會被侷限在Z方向;而其他的導波模態會增強Z方向的侷限。
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圖1、核心部分“鱷魚口狀”光子晶體波導區域。 |
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圖2、鱷魚口狀(alligator)波導元件的基本類TE模態的光子能帶結構。 |
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圖3、鱷魚口狀(alligator)波導元件的(a)空氣能帶模態;(b)元件幾何結構;(c)介電能帶模態;(d)與(e)是Z與Y方向的Casimir–Polder位能;(f)1D與自由空間模態的衰減速率。 |
研究人員指出對於包含光學捕獲超冷原子的量子光學與原子物理實驗中之原子光子混成系統,這些光子晶體波導可以滿足以下五個條件,明確的說:這些光子晶體波導(1)能用足夠高的精度來製造,以允許有效產生接近原子之電子躍遷的光子能帶;(2)能穩定的捕獲原子,同時實現一個強大的原子和場交互作用;(3)能夠有效的和奈米光子元件的波導模態相互耦合;(4)提供有效光學的雷射冷卻和捕獲;(5)具有低的光吸收和高熱傳導能力,因此能夠有1mK的局限深度(trap depth)。
研究團隊認為這種光子晶體波導技術對於超冷原子實驗及奈米光子晶片為主的光學電路研究將有重大進展。他們預期如果能透過減少在奈米線波導的光學吸收和散射損失,將有助於進一步使用偏離共振之波導模態(far-off-resonance guided modes)的場來進行原子捕捉。
參考資料: |
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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