[論文レビュー] Laser driven superradiant ensembles of two-level atoms near Dicke's regime

Giovanni Ferioli, Antoine Glicenstein+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 42被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、Dickeの領域に近い密度の高い、細長い 87Rb 原子集合体において、対称軸に沿った集団的放射が、直交する励起に対して強化されているレーザー駆動型スーパー放射を実証した。スーパー放射はラビ振動を変化させ、N²に比例する Dicke的バースト放射の観測を可能にし、これは平均場理論を超えたシミュレーションと定性的に一致する。

ABSTRACT

We report the experimental observation of superradiant emission emanating from an elongated dense ensemble of laser cooled two-level atoms, with a radial extent smaller than the transition wavelength. In the presence of a strong driving laser, we observe that the system is superradiant along its symmmetry axis. This occurs even though the driving laser is orthogonal to the superradiance direction. This superradiance modifies the spontaneous emission, and, resultantly, the Rabi oscillations. We also investigate Dicke superradiance in the emission of an almost fully-inverted system as a function of atom numnber. The experimental results are in qualitative agreement with ab-initio, beyond-mean-field calculations.

研究の動機と目的

• 強いレーザー駆動下における、密度の高い、細長い二準位原子系のスーパー放射を調査すること。
• 強い電気双極子相互作用を有する系において、集団的放射、ラビ振動、非マークフ・効果の間の相互作用を調査すること。
• 平均場理論を超えた理論が、密度の高い原子クラウドにおけるスーパー放射ダイナミクスを記述するのにどの程度有効であるかを検証すること。
• N ≈ 2800 原子のほぼ完全な反転状態において、Dicke スーパー放射を観測すること。

提案手法

• 高数値孔径の4レンズ系を用いて、径方向サイズ ℓrad ≈ 0.5λ₀、軸方向サイズ ℓax ≈ 15λ₀ の密度の高い、細長い 87Rb クラウドを形成した。
• ハイパーファインおよびゼーマン光学ポンピングを実施し、|g⟩ = |5S1/2, F=2, mF=−2⟩ と |e⟩ = |5P3/2, F′=3, m′F=−3⟩ 間の閉じた二準位遷移を分離した。
• 軸対称方向に対して垂直な、σ⁻-偏光、共鳴周波数のレーザー光ビームで、クラウドを励起した。
• 単一光子カウンティングモードのファイバー結合型アバランチフォトダイオードを用いて、軸方向 (ˆx) および径方向 (ˆy) に蛍光を収集した。
• 高速ファイバー電気光学モジュレータを用いて、1ナノ秒未塔のスイッチオフ時間を有する励起パルスを整形した。
• 2次までの積率展開技術を用いたab-initioシミュレーションにより、平均場理論を超えたダイナミクスをモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 励起レーザーが放射方向に対して直交する場合でも、密度の高い原子集合体でスーパー放射を誘発できるか？
• RQ2 スーパー放射は集団的原子系におけるラビ振動にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ほぼ完全に反転した原子クラウドの崩壊ダイナミクスにおいて、非マークフ・効果および多体効果は果たす役割は何か？
• RQ4 バースト放射の実験的観測結果は、平均場理論を超えた理論的予測とどの程度一致するか？

主な発見

• 励起方向と直交するにもかかわらず、対称軸に沿ったスーパー放射が観測され、光子生成レートの増幅が集団的挙動に一致した。
• スーパー放射によりラビ振動が顕著に変化し、単一原子系のダイナミクスと比較して、より速い減衰と振幅の変化が観察された。
• N ≈ 2780 原子の系では、ピーク強度がN²に比例するバースト放射が観測され、これは Dicke スーパー放射の特徴的性質であった。
• 軸方向の光子生成レートはN依存性が顕著であったが、径方向の放射は全原子数範囲で単一原子の挙動と一貫していた。
• 実験結果は、2次積率展開に基づくab-initio平均場理論を超えたシミュレーションと定性的に一致した。
• 系はほぼ完全な反転状態に達しており、双極子相互作用が依然として顕著に影響を及ぼす領域で、Dicke スーパー放射の特徴を観測できた。