1、一個束縛態原子的光學腔中的光子阻塞K.M.Birnbaum,A.Boca,R.Miller,A.D.Boozer,T.E.Northup&H.J.Kimble在低溫時，足夠小的金屬半導體裝置表現出“庫倫阻塞”效應，在這裝置中的電荷轉移是以電子和電子的相互作用位基礎的。例如，當半導體上的電荷能量遠遠高于熱運動能量時，在金屬半導體內的一個電子能夠阻塞其他電子的流動。類似的“光子阻塞”效應已經被用于在光學系統中的光傳輸；這涉及了在非線性光學腔中的光子與光子的相互作用4-13。這里我們記述了在原子腔強耦合情況下含有一個束縛態原子的光學腔中光線傳輸的光子阻塞的觀察。第一個光子在原子腔系統中的受激阻塞了第

2、二個光子的傳輸，因而將一個光子泊松流轉變為一個非聚束的子泊松流。這由傳輸場的光子統計測量來確定。我們對光子阻塞的觀察表現出了一種相對于傳統非線性光學和激光物理學的優勢，形成一種包括逐個的原子和光子的動力學過程的體系。微電子裝置中的電子傳輸和強耦合光學系統中的光子傳輸兩者的類比在文獻5中首次提及。作者們提到類似于電子庫倫阻塞的效應對光子與光子在非線性光學腔內的相互作用而引起光子的這種效應也是可能的。在這個方案中，由電磁導入透明（EIT）引起的強色散相互作用使得腔中的第一個光子的出現阻塞了第二個光子的傳輸，進而引起一種傳輸場中產生有序的光子流。最初的問題6解決之后，后續的工作確定了這樣的光子阻塞對

3、于一種多能態EIT結構的腔內只存在單個原子的結構中7-9是確實可行的。光子阻塞在其他的設定中也具有可能性，包括與庫倫阻塞10類似的效應以及局部等離子體表面的隧道貫穿效應11。光子阻塞同樣也被預測可以出現在與腔場模型耦合的二能級原子體系中4/9/12/13。如圖1a所展示的，潛在的物理機理與jaynes-cummings本征態能級不吻合。頻率為w-的光子的共振吸收產生了|1，（其中|n,(+)-表示第n激發態的上能級（+）和下能級（-）態阻塞了第二個頻率為w-的光子的共振吸收，由于第二個光子與|2，態是共振失諧的。與電子直接通過庫侖斥力相互作用不同，光子與光子間的相互作用必須通過介質的中間作用。

4、此外，這個效應的驗證需要場中的量子統計測量；相較而言，庫倫阻塞可以由平均傳輸效果直接推論出。在自由空間下的單個原子間的色散，例如，這是一個光子阻塞16的簡單實例，盡管（熒）光場的分布大大于4并且光場強度被腔場的自發衰變率所限制。相反，可調的腔場體系使得空間上平行的光子出射模式具有可能性，該模式的出射率由腔場的衰變111111率k決定，并且具有比g大得多的轉化效率。獲得單原子腔中的光子阻塞效應需要在強耦合狀態下進行操作，因為頻率范圍與超過耗散率（g，k）的原子腔場模型的可逆演化這里我們報告的是一個單原子與腔場具有強耦合的光學腔場中光傳輸的光子阻塞效應的觀察結果。因為與腔場的輸入產生相干激發，腔場

5、的光子輸出統計是由光強相干函數g2(t)計算的，這說明光子傳播場的明顯的非經典的特征。很明顯，我們可以得到g2(0)=（0.130.11）1,g2(0)的壽命t-=2(g+k)=48ns相一致。在較長的時間尺度上，腔傳輸表現出由腔內束縛原子的震動引起了調制，我們利用這種調制來對原子質心運動的能量分布進行估算并且推斷能量的最大值為EkB=250mK，kB為玻爾茲曼常數。圖1，實現光子阻塞效應的原子能級結構與簡單的實驗圖示。a、原子能級圖表現了躍遷頻率為wA的二能級原子低能態（單光子的Rabi頻率為g0）與頻率為wC的電磁場之間的耦合，其中wA=wCw015。雙光子吸收被抑制使得探測場（箭頭）被調

6、諧至可以激發|0|1,的躍遷，wp=w0-g0，這導致g2(0)相關的wp=w=w0g0。在峰值處ep與|1，到|2，的躍遷產生共振，導致對et來說g(2)(0)(k,g)。相比之下，對于wp=w0g0/2，ep是與|0到|2，的雙光子躍遷是共振的，導致了在g(2)(0)1的情況下的子泊松統計結果。對于wp=w0，由于原子極化和ep的相互作用而產生了很強的聚束效應。在圖2b中我們考慮了與我們實際實驗相關的更加復雜的情況，也就是說一個多能級的原子與兩個極化方向正交的場(y,z)的耦合情況。與圖2a中簡單情況最直接的聯系是利用入射探測場激發一個極化的本征模，這里用ep表示，并且檢測傳播場的et也是

7、同樣的極化，傳輸譜和強度分別由相關函數Tzz(wp)、g2zz(0)確定。甚至對于F=4到F=5的多重態躍遷與兩個腔模lx,y的耦合，現在利用多重峰值結構取代wpTzz(wp)顯示出了一種相對簡單的結構，對于一個探測頻率與本征值wp=w0g0相調諧時，g2zz(0)w0g0附近的單重真空拉比峰值。0.7，它們就下降到如圖2a中的統一情況。z2z軸方向進行檢測，激發躍遷，另一種方案是沿z但是沿著垂直極化方向的y它們各自的傳輸場和相關函數如圖2b中的Tzy(wp)、g2zy(0)。與Tzz(wp)相似，由于腔模系統的第一激發態的性質，在wpw0g0附近Tzy(wp)表示了一個多重能級的結構。在取極

8、值wp=w0g0時，對于相同的(g0,k,g)值來說，這比圖2a中的g(2)(0)和圖2b中的g2zy(0)都g2zy(0)接近于0.03，y上的傳輸場etz中沒有假設的驅動場ep小得多。我們最初的假設是衰變與在正交極化方向z；在模lz中的光子是由原子場中的原子組件有關的發散得出的。調整探測場到wp=w0g0可以得到額外的效果是降低對原子位置的反映靈敏程度，這在實驗上這是由于原子運動和在腔內的束縛態的多重性導致的。由于原子位置是獨立與耦合關系g=g0y(r)導致了原子位置會影響傳輸，其中y指的是在極大值|y|=1的情況下TEM00的空間模，r指的是原子位置。當wP-w0g時Tzy(wp)取很小

9、的值。所以具有比期望值g低的原子會減少對光子統計的貢獻。最近的一個對單束縛態原子的真空拉比光譜Tzz(wp)的測量是我們實現這個計劃的重要一步。在那一項工作中我們得到在在逐原子基礎上的觀察和對用來產生圖2b中的圖像的理論模型進行的條件下的數量上的一致。拓展模型包括從FORT轉換古來的a.c.-Stark和腔的雙折射。該模型預測對g2zy(0)的修改是因為對于我們的參數來說這些影響過小，這在補充信息中將會討論。圖2，傳輸光譜和強度相關函數的理論結果。a.T(wp)、g2(0)；b.由主方程穩態解得到的Tzz(wp)、g2zz(0)（虛線）、Tzy(wp)、g2zy(0)由這些性質，我們現在對單束

10、縛態原子的腔中光的傳輸函數g2zy(t)的測量進行匯報。我y們將探測場ep調到wP-w02p=-34MHz，接近與-g0。并且需要通過兩個雪崩二極管對場etz進行光電計數統計，如圖1c所示，從統計記錄來看，我們可以利用參考文獻22中的方法來確定g2zy(t)。這些數據需要對利用參考文獻21中的方法對每一個束縛態原子進行反復的探測、測試以及間隔冷卻（持續時間是=500us、=100us、=1.4ms）。探測光束是沿Z軸方向的偏振光并且與腔場是共振協調的。一個泵浦光束沿軸向橫切光學腔并且與61 2，F=3到63 2，F=4躍遷產生共振，并且在探測和測試冷卻時激發原子。由于探測場非共振激發了F=4到

11、F=4躍遷使得這個光束阻止了F=3的基態數量的增加。所有的探測和冷卻循環在循環時間=0.3s后結束，這也標志著一個新循環的開始。由于存在一個原子，我們選擇測試光束為 1 0.35。只有在探測到原子存在的情況下間隔探測和其它所有間隔操作才能使用所有記錄的數據。如果沒有原子并且探測場被調諧到與光學y等于0.21，并且在光學腔輸出口的腔產生共振 =1 ，那么在模上的光子數由于ep偏振光分離器阻止了這束光的探測。圖三展示了一個在 1,2 上的一致時間分辨記錄確定的g2zy(t)例子。在圖3a中，可以發現很明顯的傳輸場的非經典特征，并且g2zy(0)出現很強的衰減，g2zy(0)=（0.130.11）1

12、，對應于傳輸場的子泊松特征，并且g2zy(0)g2zy(t)是光子反聚束的表現。我們發現當45ns時2 上升到平均水平，這與在態|1，-壽命的基礎上對=48ns的簡單估算相一致。盡管對于小的|我們對g2zy(t)的觀察是符合我們從理論模型得出的預測的，但在大的時間尺度上還是有顯著的偏差。由于束縛態原子質心運動產生的頻率改變不會發生可以從圖3b中得到證實。在這個結果的支持下，圖3c表示g2zy(t)的傅里葉變換，從圖中可以看出，在頻率0535KHz時出現了一個窄峰，這比由束縛態原子的簡諧運動中FORT的x軸向峰峰距單獨確定的頻率0要小。這個變化比參考文獻23中的觀察單個離子發出光的2 相類似，這

13、里2 的變化是由于離子在微波頻率阱中的微小運動引起的。2這里，U =U0sin2 2 2 22 是FORT勢，這引起了能量 震動態2的非諧階。這里m=0到m=9對應著徑向坐標=0的軸向尺寸內的束縛態。非諧振性導致觀察到由于在FORT阱中的軸向運動抵消了00。實際上，在勢阱頂端頻率= 1 近似是在勢阱低端0= 10 的一半。通過比較由g 和計算軸向頻率 得到的測量的頻率分布，我們估計從數據得到的原子是被束縛在最低軸向勢2 m10，這與最大能量 250uK相一致。能量的估算與我們先前對的測量是一致的，與參考文獻21中對傳輸光譜和傳輸強度的傅里葉變換也是一致的。我們已經證明了光子封閉傳播會強制耦合進

14、另一個被困原子內部。通過類比電子的庫倫阻塞現象，我們會發現這種傳統的光子傳輸場統計結果其實來自于單光子水平的非線性相互作用。在進一步對我們的研究進行深入，這包括對脈沖操作模式的操作，以及對ref.5文獻的分析，從而會意識到這種單光子來源于他自身的需求。為了提高我們操作過程的效率，我們應該依賴于g.的結果去探索wp-w0失調的原因，同時為subpossonian光子轉移高級別的激發作用使其腔內的光子的數量集合和輸出趨向于k的最大值。圖3參考文獻：1. Fulton, T. A. & Dolan, G. J. Observation of single-electron charging effe

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