[論文レビュー] Direct single-shot observation of millimeter wave superradiance in Rydberg-Rydberg transitions

David Grimes, Stephen L. Coy+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、バリウム原子を用いたRydberg-Rydberg遷移におけるミリ波帯の超放射を、20 psの時間分解能を有する異同周波数検出法を用いて、初めて直接的・1ショットで観測した。時間的・周波数的依存の放射を測定した結果、自然およびドーナーライン幅をそれぞれ10⁵倍および20倍を超える協同効果が示され、平均場理論の予測を超える長寿命な放射モードが同定された。

ABSTRACT

We have directly detected millimeter wave (mm-wave) free space superradiant emission from Rydberg states ($n \sim 30$) of barium atoms in a single shot. We trigger the cooperative effects with a weak initial pulse and detect with single-shot sensitivity and 20 ps time resolution, which allows measurement and shot-by-shot analysis of the distribution of decay rates, time delays, and time-dependent frequency shifts. Cooperative line shifts and decay rates are observed that exceed values that would correspond to the Doppler width of 250 kHz by a factor of 20 and the spontaneous emission rate of 50 Hz by a factor of $10^5$. The initial superradiant output pulse is followed by evolution of the radiation-coupled many-body system toward complex long-lasting emission modes. A comparison to a mean-field theory is presented which reproduces the quantitative time-domain results, but fails to account for either the frequency-domain observations or the long-lived features.

研究の動機と目的

• 間接的検出法の限界を克服し、1回の実験ショットでRydberg原子系からの超放射を直接観測すること。
• 20 ps未満の時間分解能を用いて、時間分解電場ダイナミクス（崩壊率、時間遅れ、周波数シフト）を測定すること。
• 平均場近似を越えた多数体Rydberg系における超放射や準放射などの協同効果を調査すること。
• 光学的厚さと集団的放射特性（周波数シフト、長寿命な放射モードなど）との間の定量的関係を確立すること。

提案手法

• 低密度遷移周波数にロックされた局所発振器を用いて、放出されるmm波電場の異同周波数検出を行い、位相および振幅の追跡を可能にする。
• 20 psの時間分解能を有する1ショット測定により、時間依存放射ダイナミクスを解像し、位相の時間発展を抽出する。
• 超放射の発生を誘発・安定化させるために弱い初期パルスを用い、自己発光による確率的開始を最小限に抑える。
• 低密度共鳴周波数で信号を復調し、時間依存位相および周波数シフトを抽出する。
• 位相発展をガウス型、ローレンツ型、双曲正割関数の線形形状関数にフィットさせ、時間依存周波数応答を特定する。
• 実験データを平均場理論と比較し、その時間領域および周波数領域の特徴を記述できるかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高時間分解能を有するRydberg原子系アンサンブルにおいて、mm波超放射の直接的1ショット検出が可能かどうか。
• RQ2 Rydberg系において、自然およびドーナーライン幅を上回る増大した崩壊率や周波数シフトといった協同効果は、どの程度顕著に現れるか。
• RQ3 平均場理論の予測がない状況で、時間依存周波数チーピングおよび長寿命な放射モードはどのように現れるか。
• RQ4 超放射放出における集団的周波数シフトの大きさと光学的厚さとの関係は何か。
• RQ5 なぜ平均場理論は、実験的に観測された周波数領域の挙動および長寿命な放射モードを記述できないのか。

主な発見

• 自然放射率50 Hzに対して、ピーク崩壊率が10⁵倍に増大した超放射が直接観測された。
• スペクトルにおける周波数シフトは、ドーナーライン幅（250 kHz）の20倍に達し、約5 MHzのシフトに相当した。
• 放射の進行中に明確な周波数チーピングが観測され、最大電場振幅が低密度共鳴周波数を通過する時刻とは一致しなかった。
• 位相発展には非対称なチーピングが見られ、フーリエ変換制限放射とは一致せず、非ガウス的幅拡大および集団的ダイナミクスを示唆した。
• 平均場理論は超放射パルスの時間領域エンVELOPEを正確に記述できたが、周波数領域の特徴や長寿命な放射モードを再現できなかった。
• 光学的厚さと周波数シフトとの間に弱い相関（R² = 0.38）が観測されたが、ショットごとの幾何的変動のため、定量的関係は確立できなかった。