冷原子纳米光子陷阱中的加热

在纳米光子波导中被捕获并与光进行光学接口的激光冷却原子,是量子光学基础研究以及量子通信和量子信息处理应用的强大平台。自从首个此类混合量子纳米光子器件实现以来,在各种实验设置中观测到的原子运动加热速率通常比可比的自由空间光学微陷阱中的加热速率高出约三个数量级。这种过度加热是某些协议和器件实现的障碍。其起源迄今仍不清楚,并且在纳米光子陷阱中典型的小于一个光学波长的原子-表面间距下,众多效应可能潜在地导致原子加热。在此,我们从理论上描述了波导机械振动对导光场的影响,并给出了纳米光子陷阱中粒子-声子相互作用的一般理论。我们通过将其应用于纳米光纤双色光陷阱中激光冷却铯原子的情形来检验我们的理论。我们发现预测的加热速率与实验测量值在定量上高度吻合。我们的理论预测,在此设置中,主导加热过程源于光学捕获原子与波导结构的弯曲机械模式热占据连续谱之间的光机械耦合。除了揭示纳米光纤原子陷阱中过度加热的长期谜团外,我们还研究了加热速率对相关系统参数的依赖关系。我们的发现使我们能够提出几种最小化加热的策略。最后,我们的发现对于在纳米光子波导附近光学捕获的介电泳纳米颗粒的光力学实验也高度相关。