冷却原子を用いた遅い非線形超蛍光現象の実現と量子光学的性質の解明

利用冷原子实现慢速非线性超荧光现象并阐明量子光学特性

基本信息

批准号：
22H01159
负责人：
北野健太
金额：
$ 10.82万
依托单位：
Aoyama Gakuin University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

超蛍光とは励起状態に分布した放射体の集合が、自然放出過程を介して自発的にエンタングルメントを形成する事によって、通常の蛍光とは異なる高強度なパルスを放射する量子多体現象である。約半世紀に渡り超蛍光は二準位系の現象として認知されてきたが、近年、多準位系ではナノ秒以下の高速な非線形光学現象（以下、非線形超蛍光現象と呼ぶ）を誘発する事が明らかになった。この事は、多彩な非線形光学過程を制御する事で量子多体系からの新奇輻射現象を実現できる事を強く示唆している。非線形超蛍光現象の量子性を研究するためには、輻射場の光子数密度（フォトンフラックス）をフォトンカウンティング手法を適用可能なレベルまで低くする事が必要となる。そこで本研究では、冷却原子を用いる事でマイクロ秒以下のゆっくりと時間変化し、かつフォトンフラックスが十分に小さい非線形光学現象を実現し、その量子性を研究する事を研究目的としている。今年度は、冷却原子を実現するための真空装置の設計と製作準備を実施した。超蛍光を実現するには高い光学濃度が必要となる。そこで真空装置を設計する際には二次元磁気光学トラップと呼ばれる楕円球状の原子雲を実現可能な手法の適用を想定した。また、冷却原子を用いた実験とガスセル中の加熱原子を用いた実験とでは互いに相補的な情報を得る事ができると期待される。そこで、今年度は以下に示す通りガスセルを用いた実験によって新しい研究成果が得られた。本研究対象の物理系であるルビジウム原子の非線形超蛍光現象に関して、放出される三色の輻射場に和周波発生分光法を適用した。その結果、すべての輻射場の時間波形を高い時間分解能で観測する事に成功し、ダイナミクスに関する情報を正確に得る事ができた。この結果は冷却原子の実験を実施する上で重要な指標となる。

超荧光是一种量子多体现象，其中一组发射器通过自发释放过程在激发态以自发形成纠缠过程中，从而发出与正常荧光不同的高强度脉冲。超荧光已被公认为为两级现象，大约半个世纪，但近年来，据透露，多级系统诱导快速的非线性光学现象（以下称为非线性超级荧光现象），这些现象低于纳米秒。这强烈表明，可以通过控制各种非线性光学过程来实现量子多体系统的新型辐射现象。为了研究非线性超荧光现象的量子性质，有必要将辐射场的光子数密度（光子通量）降低到可以应用于光子计数方法的水平。因此，这项研究旨在通过使用冷却的原子实现非线性光学现象来研究本研究的量子性能，这些非线性光学现象会缓慢变化，并且时间少于微秒，并且具有足够小的光子通量。今年，我们为真空设备设计和准备，以实现冷却原子。需要高光密度以实现超荧光。因此，在设计真空设备时，我们设想了一种方法，该方法允许实现椭圆形球形原子云，称为二维磁光陷阱。还可以预期，使用冷却原子和使用气体中的加热原子进行实验之间可以获得互补信息。因此，今年，通过使用气体电池实验获得了新的研究结果，如下所示。关于rubidium原子的非线性超荧光现象，这项研究的物理系统，将总频率的生成光谱应用于发射的三色辐射场。结果，我们能够成功地观察所有具有较高时间分辨率的辐射场的时波，并获得了有关动态的准确信息。该结果是用于使用冷却原子进行实验的重要指标。