원자-공진기 결합 계에서의 진동수 밀어냄

Abstract

진동수 밀어냄(frequency pushing) 현상은 바닥 상태의 원자와 공진기 장의 결합 결과로 나타나는 현상이다. 본 연구에서는 공진기-양자전기역학 마이크로레이저 장치에서 나타나는 진동수 밀어냄 현상을 공진기 장의 투과를 통해 관찰하였고, 맥스웰-슈뢰딩거 방정식으로부터 얻은 투과 식으로 실험 결과를 설명하였다. 또한 원자와 공진기의 결합 조건에 따른 공진기 모드의 변화를 조사하여 진동수 밀어냄이 나타나는 조건을 확인하였다. 양자역학적 해석으로는 마스터 방정식을 풀어 해를 구했고, 공진기 내부의 광자 수의 변화를 추적하여 진동수 밀어냄을 설명하였다. 이외에도 원자를 고전적인 로런츠 진동자로 해석함으로써 공진기 내의 굴절률 변화의 측면에서 진동수 당김과 밀어냄을 동시에 다루었다.

본 연구에서는 양자화된 원자와 고전적인 장을 다루는 준 고전적 해석을 통해 실험 결과와 이론적 예측이 부합함을 확인하였다. 이 외에도 고전적인 원자 또는 양자화된 장을 다룸으로써 현상에 대한 다양한 해석 방안을 제시하였다. 그 결과로 이미 알려진 진동수 당김 현상뿐 아니라 진동수 밀어냄 현상까지 설명할 수 있게 되었고, 이에 따라 원자와 공진기의 결합 효과로 나타나는 진동수 이동의 두 현상을 모두 다룰 수 있는 이론적 기반을 마련하였다.

Frequency pushing is an effect of ground-state atoms coupling with the cavity field. In this paper, we observed the frequency pushing through the cavity transmission in the cavity-QED microlaser set-up and explained the experimental results with the transmission equation obtained from the Maxwell-Schrödinger equation. In addition, the frequency pushing condition was confirmed by examining the change of the cavity mode according to the atom-cavity coupling condition. The solution was obtained by solving the master equation, and the frequency pushing was explained quantum mechanically by tracking the change in the number of photons inside the cavity. Moreover, by interpreting the atom as a classical Lorentz oscillator, the phenomenon of frequency pulling and pushing in terms of the refractive index change inside the cavity was simultaneously dealt with.

In this study, the consistency between the experimental results and the theoretical predictions was confirmed through a semiclassical interpretation, which deals with quantized atoms and classical fields. In addition, various interpretations were demonstrated by dealing with classical atoms or quantized fields. As a result, it was possible to explain not only the well-known frequency-pulling phenomenon but also the frequency-pushing phenomenon. Therefore a theoretical basis for both phenomena of frequency shift due to atom-cavity coupling was prepared.