[論文レビュー] Observation of the Failure of Lorentz Local field Theory in the Optical Response of Dense and Cold Atomic Systems

Stephan Jennewein, Mondher Besbes+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2015

Orbital Angular Momentum in Optics被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、密度が高く、冷却された原子クラウドにおける光応答を記述するのにローレンツ局所場理論が失敗することを示している。光の波長と同等のサイズを有するレーザー冷却原子を用いたコherent光透過測定により、ローレンツ＝ロレンツ式に基づく平均場モデルでは実験データを再現できないことが示され、一方ですべての散乱イベントを考慮した微視的モデルは観測結果と非常に良好に一致することが明らかになった。

ABSTRACT

We measure the coherent optical response of a cloud of laser-cooled atoms illuminated by a laser tuned near an atomic resonance. The cloud has a size comparable to the wavelength of light. For large atom numbers, the light-induced dipoles interact strongly and modify significantly the cloud transmission. We find that mean-field theories of light scattering (e.g. based on the Lorentz-Lorenz formula), which ignore scattering events where one photon is scattered recurrently by the same atom, fail to reproduce our data. Contrarily, a microscopic model taking into account all the scattering events agrees better with the observed response.

研究の動機と目的

• 密度が高く、冷却された原子系における光散乱を記述するにあたり、ローレンツ＝ロレンツ式のような平均場理論の妥当性を調査すること。
• 原子間隔が光の波長と同等のサイズである系に適用した際の局所場理論の限界を特定すること。
• 同じ原子に対して複数回散乱する同一光子の再帰的散乱イベントが、光応答に顕著な影響を及えるかどうかを同定すること。
• すべての散乱イベントを含む微視的散乱モデルが、高密度原子クラウドにおける観測された透過率をよりよく記述できるかどうかを検証すること。
• 強い相関を持つ原子系において、標準的な平均場的手法の適用がどのように不適切であるかを実験的に示すこと。

提案手法

• 高密度かつ低温を達成するため、レーザー冷却原子を磁気光トラップに閉じ込めた。
• 原子クラウドのコherentな光応答を調べるため、原子共鳴周辺にチューニングしたレーザーを用いた。
• 原子数およびレーザー周波数のずれを関数として、光の透過率を測定した。
• 理論的モデルには、再帰的散乱を含むすべての多重散乱イベントを含む微視的アプローチを採用した。
• ローレンツ＝ロレンツ式に基づく平均場理論の予測と結果を比較した。
• 実験装置は、原子クラウドのサイズを光の波長と同等に保つことで、多体効果を強化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再帰的光子散乱イベントが、高密度原子系における平均場近似をどの程度無効にするか。
• RQ2 高密度かつ冷却された原子クラウドの光透過率は、ローレンツ＝ロレンツ式に基づく予測からどの程度逸脱するか。
• RQ3 すべての散乱イベントを考慮した微視的散乱モデルが、観測された光応答を正確に記述できるか。
• RQ4 原子密度およびクラウドサイズ（波長オーダー）が、局所場理論の破綻に果たす役割は何か。
• RQ5 多体原子系において、独立した双極子応答の仮定が、どのような条件下で失敗するか。

主な発見

• ローレンツ＝ロレンツ式に基づく平均場理論は、高密度かつ冷却された原子クラウドにおける測定された光透過率を再現できない。
• その失敗の主な原因は、同一原子に対して複数回散乱する未考慮の再帰的散乱イベントに起因する。
• 実験データは、特に原子数が多く、レーザー周波数が共鳴付近にある場合に、平均場理論の予測から顕著に逸脱している。
• 再帰的散乱を含むすべての散乱イベントを組み込んだ微視的モデルは、観測された透過率データと定量的に一致する。
• 原子クラウドのサイズが光の波長と同等のとき、ローレンツ局所場理論の破綻は最も顕著に現れる。
• これらの結果は、高密度原子系における集団的効果が、標準的な平均場近似では捉えきれないことを示している。