Physical Review X | 在纳米光子线路上捕获原子：量子科学的新前沿

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引言
将冷原子与纳米光子器件集成为量子传感、计量和信息处理带来了新的机遇。然而，在集成光电子线路上高效捕获大量原子一直是重大挑战。在本文中将探讨Zhou等人展示的突破性技术，可以直接在纳米光电子微环谐振器上装载和捕获冷原子团[1]。

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  [9 x; a8 r. a关键创新：简并拉曼边带冷却
研究人员通过在硅氮化物微环谐振器上方形成的微陷阱中采用简并拉曼边带冷却（dRSC）实现了高效的原子捕获。一个关键的洞见是，微环的回廊模式（WGM）的倏逝场为原子创造了内置的自旋-运动耦合。

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图1. 这幅图说明了在纳米光子微环电路上捕获原子的过程。冷原子通过光学微陷阱和虚拟磁场被捕获。虚拟磁场实现了自旋-运动耦合，并通过简并拉曼边带冷却（dRSC）进行冷却。原子陷阱的配置影响探测光的透射信号。
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如图1所示，该装置包括：

一个从底部照射的光学引导（OG）束，创造一个漏斗状的吸引势。

在微环中激发的蓝失谐回廊模式 (WGM) 创造一个排斥性的倏逝场势垒。

一个偏置磁场，定义量子化轴。

一个用于冷却的光学泵浦束。
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: T6 C0 {5 Y+ \6 G# [/ ^# H冷却机制
9 b. Z' R9 P+ L9 ~% xWGM的倏逝场在波导上方约98%是圆偏振的。这造成了一个相当于作用在原子上的虚拟磁场的位置依赖性矢量光移。场振幅沿z轴（垂直于芯片表面）呈指数衰减，导致显着的自旋-运动耦合。

- z6 C1 l; n5 l% G. [2 h- R这种耦合允许简并拉曼边带冷却：

虚拟场在相邻磁能级的简并陷阱态之间创造拉曼耦合。

在兰姆-迪克区域进行σ+跃迁的光学泵浦允许被捕获的原子被泵浦到能量降低的暗态。

+ C$ `  e2 E' y' P2 l实验流程

在距离电路较远的光学漏斗中使用磁光陷阱（MOT）预冷铯原子。

引导原子向表面微陷阱移动。

执行dRSC以冷却靠近表面的引导原子。

通过原子引起的微环透射谱中的透明度来检测被捕获的原子。
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3 ?! p3 f9 G5 a" Y9 i3 p3 y( [, n
! t/ p1 S8 P6 t4 V结果和分析
研究人员使用这种技术取得了显着的结果：

陷阱寿命：他们展示了在|F=3， mF=3?态极化的被捕获原子的单体寿命约为230毫秒。通过连续冷却，寿命延长到接近一秒。

被捕获原子数量：该技术允许在约10立方微米的小微陷阱体积中捕获多达N≈70个原子。

温度：被捕获的原子达到了低温Ttrap≈23μK，对应的平均振动量子数ν?≈14。

协同耦合：被捕获的原子表现出大的协同耦合和向微环的WGM的超辐射衰减。
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图2. 这幅图展示了被捕获原子中观察到的协同耦合和超辐射衰减。通过控制陷阱中的原子数量，测量了稳态透射谱和脉冲激发衰减率。结果显示了协同度与衰减率之间的关系，衰减率随着协同度的增加而增加。观察到的衰减率略低于理论预期，这可能是由于探测回廊模式（WGM）的反向散射造成的。
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图2展示了一些关键的实验结果：
# s$ V7 N9 |9 v& w$ S& `- w(b) 不同数量被捕获原子的稳态透射谱。
(c) 通过脉冲激发测量观察到的超辐射衰减。
& C! I2 W( e* U(d) 归一化衰减率与协同度的关系，显示了原子-光子耦合的集体增强。


: y$ p" G0 d0 q: U/ T意义和未来方向
; z1 O! N: m  _* }2 V3 j这项工作代表了冷原子与集成纳米光子电路接口的重大进展。潜在的应用和未来方向包括：

量子非线性光学：实现的强集体耦合可能使少光子水平的光子-光子相互作用进入新的领域。

量子模拟：该平台可用于设计原子之间的长程相互作用，以模拟量子多体系统。

量子传感和计量：芯片上大量集体耦合的原子可能提高原子干涉仪和原子钟的灵敏度。

量子化学：该技术可能扩展到捕获和研究超冷分子，为量子水平的可控化学开辟新途径。

可扩展性：研究人员表示，通过将微陷阱扩展到覆盖整个微环周长，被捕获的原子数量可能至少增加10倍。

进一步冷却：通过实施更紧密的束缚（例如，使用双色倏逝场陷阱），可能将原子冷却到接近振动基态，并抑制非弹性碰撞。

增加耦合：将原子转移到更靠近表面的更紧密陷阱（z_c≈100 nm）可能显着增加单原子协同度到C_1?10。
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结论
Zhou等人展示的在纳米光子电路上捕获原子的技术代表了量子光学和原子物理领域的重大进步。通过利用倏逝场的独特性质并采用巧妙的冷却策略，他们为在集成光子芯片上创建大量集体耦合的原子开辟了新的机遇。这项工作为量子信息处理、传感和基础物理研究的广泛应用奠定了基础。

2 j5 O' o/ Y+ k- i' p随着该领域研究的进展，可以期待看到更加复杂的原子-纳米光子接口，可能导致紧凑、可扩展的量子器件，结合原子系统和集成光子学的最佳特性。这项开创性研究展示的创新为芯片上的量子技术未来带来了新的可能性。
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参考文献
' T! X6 y$ r9 @+ k: H. k3 K+ f- ~[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.

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