Optomechanics with a Bose-Einstein condensate in a high-finesse cavity operating in the regime of resolved atomic recoil sidebands

在高精细腔体中使用玻色-爱因斯坦凝聚体的光力学,在解析的原子反冲边带状态下运行

基本信息

项目摘要

It is proposed to exploit the coupling of a Bose-Einstein condensate (BEC) of rubidium atoms to a longitudinal mode of an optical high finesse cavity for targeted manipulation of a mesoscopic collective oscillation of the BEC. The 50 mm long resonator with a finesse above half a million exhibits a photon life time of 27 µs, corresponding to a line width of 5.8 kHz, which amounts to only 1.5 times the recoil frequency of a rubidium atom. The extreme frequency selectivity of the cavity permits to selectively manipulate a single phonon mode of the BEC oscillating with approximately four times the recoil frequency. This mode, which involves the coherent oscillation of up to several 105 atoms, represents a mesoscopic mechanical quantum oscillator. For light detuned sufficiently far from atomic resonances, the only source of dissipation is damping of the intra-cavity field via loss of photons. Since this damping and the temporal evolution of the mesoscopic oscillator occur on the same time scale, the oscillator can be efficiently cooled in certain parameter ranges. The system thus represents a paradigm of the emerging field of cavity optomechanics, where the cooling of mesoscopic mechanical oscillators (as e.g. micron scale cantilevers or nano scale membranes) via coupling to high finesse cavities is explored. Preliminary theoretical considerations indicate that the system can give rise to observable entanglement between mesoscopic quantum states of the atomic motion and the cavity light field, which will be explored theoretically and experimentally.
提出了利用铷原子玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)与光学高精细度腔纵模的耦合来有针对性地操纵BEC的介观集体振荡。50毫米长的谐振腔,精细度超过50万,光子寿命为27 µs,对应的线宽为5.8 kHz,仅为铷原子反冲频率的1.5倍。腔的极端频率选择性允许选择性地操纵BEC的以大约四倍的反冲频率振荡的单个声子模式。这种模式涉及多达105个原子的相干振荡,代表了介观力学量子振荡器。对于离原子共振足够远的光失谐,耗散的唯一来源是通过光子的损失来阻尼腔内场。由于这种阻尼和介观振荡器的时间演化发生在相同的时间尺度上,所以振荡器可以在一定的参数范围内被有效地冷却。因此,该系统代表了腔光学力学的新兴领域的范例,其中探索了经由耦合到高精细度腔的介观机械振荡器(例如,微米级杠杆或纳米级膜)的冷却。初步的理论研究表明,该系统可以引起原子运动的介观量子态与腔场之间的可观测纠缠,这将在理论和实验上进行探索。

项目成果

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Cavity Cooling Below the Recoil Limit
  • DOI:
    10.1126/science.1219166
  • 发表时间:
    2012-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    56.9
  • 作者:
    M. Wolke;Julian Klinner;H. Keßler;A. Hemmerich
  • 通讯作者:
    M. Wolke;Julian Klinner;H. Keßler;A. Hemmerich
Optomechanical atom-cavity interaction in the sub-recoil regime
亚反冲状态下的光机械原子腔相互作用
  • DOI:
    10.1088/1367-2630/16/5/053008
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    H. Keßler;J. Klinder;M. Wolke;A. Hemmerich
  • 通讯作者:
    A. Hemmerich
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