[論文レビュー] Collective Mode Interferences in Light--Matter Interactions

Robert J. Bettles, Teodora Ilieva+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2018

Strong Light-Matter Interactions参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、密度の高い冷たい原子ガスにおける集団固有モード間の干渉が、個々の超放射モードよりも速い崩壊レートを示す超放射放出を引き起こす可能性があることを示しており、線幅と寿命の従来の関連性に挑戦している。実験的および理論的結果は、初期の崩壊レートが光深さに応じて増加し、裸の遷移からの周波数シフトを持つモード間の建設的干渉により、最も速い固有モードレートを上回ることを確認している。

ABSTRACT

We present a theoretical and experimental analysis of transient optical properties of a dense cold atomic gas. After the rapid extinction of a weak coherent driving field (mean photon number $\sim 1.5$), a transient `flash' is observed. Surprisingly the decay of the `flash' is faster than the decay of the fastest superradiant mode of the system. We show that this `faster than superradiance decay' is expected due to the interference between collective eigenmodes that exhibit a range of frequency shifts away from the bare atomic transition. Experimental results confirm that the initial decay rate of the superradiant flash increases with optical depth, in agreement with the numerical simulations for the experimental conditions.

研究の動機と目的

• 弱い連続励起下での密度の高い冷たい原子系の過渡的光学的性質を調査すること。
• 最も速い超放射固有モードよりも速く崩壊する超放射的「フラッシュ」の起源を理解すること。
• 集団的光-物質系における線幅と寿命の従来の関係の破綻を探索すること。
• 多数体光-物質相互作用における集団モード干渉を扱う理論的および実験的枠組みを確立すること。

提案手法

• 密度の高い原子系における駆動・散逸的ドーピング相互作用を用いた多数体集団応答の理論的モデリング。
• 固有モード、崩壊レート、および裸の遷移からの周波数シフトを計算するための多数体系の数値シミュレーション。
• 制御可能な光深さと弱い連続駆動（平均光子数 ~1.5）を用いた冷たい原子クラウドにおける実験的実現。
• 時間分解測定により放出光を抽出し、理論的予測と比較することで崩壊ダイナミクスを抽出すること。
• 集団的効果を調整し、単一体から多数体の挙動への遷移を調べるための光深さを制御パラメータとして用いること。
• 時間-周波数対応の分析により、干渉効果下での線幅-寿命関係の妥当性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 集団固有モード間の干渉が、個々のモードよりも速い崩壊レートを示す超放射放出を引き起こすことができるか？
• RQ2 運動的位相崩壊がないにもかかわらず、光深さが増加するにつれて初期の崩壊レートが増加するのはなぜか？
• RQ3 集団モード干渉が、共鳴線幅と放出寿命の標準的関係をどのように破壊するのか？
• RQ4 数値シミュレーションは、密度の高い原子系における実験的崩壊ダイナミクスをどれほど正確に再現できるか？
• RQ5 周波数シフトとモード混合が、過渡的放射特性を決定づける役割を果たす程度はどの程度か？

主な発見

• 超放射フラッシュの初期崩壊レートは、最も速い個々の超放射固有モードのレートを上回っており、『超放射よりも速い』崩壊を実証している。
• 初期の崩壊レートは光深さに応じて増加し、実験およびシミュレーションの両方で明確な正の傾向が確認された。
• 崩壊レートの増加にもかかわらず、線幅はわずかに増加するにとどまり、標準的な線幅-寿命対応関係の破綻を示している。
• 観測されたダイナミクスは、裸の原子遷移からの周波数シフトを持つ複数の集団固有モード間の建設的干渉に起因するとされる。
• 450原子のみを用いたシミュレーションでも実験的傾向を再現できており、実験における原子密度または光深さの低減が可能性であると示唆している。
• 平均光子数（~1.5）が低く、駆動強度を変化させても崩壊レートが一定であることから、系は弱い駆動領域にとどまっていることが確認された。