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，其中分布在激发态的辐射体集合通过自发发射过程自发形成纠缠，发射出与正常荧光不同的高强度脉冲。大约半个世纪以来，超荧光一直被认为是一种两能级系统现象，但近年来，多能级系统已被证明可以诱发小于a的快速非线性光学现象（以下简称非线性超荧光现象）。事情变得很清楚。这有力地表明，量子多体系统的新颖辐射现象可以通过控制各种非线性光学过程来实现。为了研究非线性超荧光现象的量子性质，需要将辐射场的光子数密度（光子通量）降低到可以应用光子计数方法的水平。因此，本研究的目的是利用冷原子实现小于一微秒的缓慢时间变化和足够小的光子通量的非线性光学现象，并研究其量子特性。今年，我们设计并制备了真空装置来实现冷原子。实现超荧光需要高光密度。因此，在设计真空器件时，我们假设应用一种称为二维磁光陷阱的方法来产生椭球体原子云。此外，预计在气室中使用冷原子的实验和使用加热原子的实验将能够获得互补的信息。因此，今年通过使用气电池的实验获得了新的研究成果，如下所示。针对铷原子的非线性超荧光现象，这是本研究的主题，我们将和频发生光谱应用于发射的三色辐射场。结果，我们成功地以高时间分辨率观测了所有辐射场的时间波形，并能够获得准确的动力学信息。这一结果将成为开展冷原子实验的重要指标。