[論文レビュー] Optical transmission through a dipolar layer

J. Keaveney, A. Sargsyan+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2011

Quantum optics and atomic interactions参考文献 30被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、薄い双極子層における光学的不透明度が、支配的となる双極子-双極子相互作用のため、原子密度が増加しても完全な不透明度に到達しないこと、すなわち飽和することを示している。厚さがλ/4未満の領域では、相互作用強度が2倍に増加し、不透明度の飽和が低下するという急激な遷移が観測され、これは閉じ込められた2次元幾何構造内での集団的双極子干渉と位相整合性に起因する直感に反する効果である。

ABSTRACT

The interaction between light and matter is fundamental to developments in quantum optics and information. Over recent years enormous progress has been made in controlling the interface between light and single emitters including ions, atoms, molecules, quantum dots and ensembles. For many systems, inter-particle interactions are typically negligible. However, if the emitters are separated by less than the emission wavelength, resonant dipole--dipole interactions modify the radiative decay rate and induce a splitting or shift of the resonance. Here we map out the transition between individual dipoles and a strongly interacting ensemble by increasing the density of atoms confined in a layer with thickness much less than the emission wavelength. We find two surprising results: whereas for a non-interacting ensemble the opacity increases linearly with atomic density, for an interacting ensemble the opacity saturates, i.e., a thin dipolar layer never becomes opaque regardless of how many scatterers are added. Secondly, the relative phase of the dipoles produces an abrupt change in the optical transmission around the thickness λ/4.

研究の動機と目的

• 薄く密度の高い原子層に閉じ込められた系における双極子-双極子相互作用が光学的透過度に与える影響を調査すること。
• このような層における原子密度の増加が、多体効果により不透明度が増加するか、あるいは飽和するかを特定すること。
• 相対的位相および幾何的閉じ込めが集団的光-物質相互作用をどのように変化させるかを調査すること。
• 理論的予測である、厚さλ/4における不透明度の飽和と強化された双極子相互作用を実験的に検証すること。

提案手法

• 屈折率χを用いた光学的透過度の理論的モデリング。不透明度はOD = Nσδzとして定義され、σは周波数依存断面積である。
• 自己幅拡大Γ_dd = βNを用いた双極子-双極子相互作用の組み込み。これにより線幅が広がり、共鳴断面積σ₀ ∝ 1/(Nλ̄)が減少する。
• デチューニングΔと広がり線幅Γ = Γ₀ + Γ_ddで修正されたローレンツ線形の形状を用い、σ = σ₀ / (1 + 4(Δ/Γ)²)が得られる。
• アルカリ原子を用いたナノセルを用いた実験的測定。サファイア窓を介し、780 nmの集束レーザーをRb D2線に照射。厚さδzを30 nmから390 nmの範囲で変化させた。
• マーカードト・レヴェンバーグ法を用いた実験データのフィッティングにより、有効相互作用強度βを抽出。原子-表面効果は追加の幅拡大Γ_ad = 2π×200 MHzで補正した。
• ニュートンリングパターンの解析により、局所的な厚さ変動を特定。λ/4未満の閉じ込め（δz < λ/4）を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄い双極子層における原子密度の増加は、非相互作用系と同様に不透明度を線形に増加させるか？
• RQ2 原子間隔がλ未満で双極子-双極子相互作用が支配的になると、光学的不透明度はどのように変化するか？
• RQ3 なぜ層の厚さδz ≈ λ/4で透過度の挙動に急激な変化が現れるのか？
• RQ4 特にλ/4未満の領域において、有効双極子-双極子相互作用強度βはどのように厚さに依存するか？
• RQ5 不透明度の飽和は、集団的効果に起因する散乱の増加と減衰の強化のバランスによって説明可能か？

主な発見

• 双極子-双極子相互作用が支配的になると、原子密度に依存せず、OD ∼ δz / λ̄ で不透明度が一定値に飽和する。これは非相互作用系における線形増加とは矛盾する。
• δz > λ/4の領域では、飽和不透明度がNσλ̄ = √2に達し、集団的減衰と自己幅拡大の標準理論と整合する。
• δz < λ/4の領域では、有効双極子-双極子相互作用強度βが2倍に増加し、従来の値の半分にまで不透明度の飽和が低下する。
• δz = λ/4 = 195 nmにおける遷移は急激で再現可能であり、実験データは幅拡大係数と相互作用強度の明確な変化を示している。
• 観測された挙動は遷移双極子モーメントに依存せず、光の伝搬軸に沿って逆方向に動く双極子の位相整合性に起因する。
• 自己幅拡大と位相整合性効果を含む理論的モデリングは、全厚さ範囲で実験データと一致し、原子-表面相互作用を補正するため、2π×200 MHzの追加幅拡大を一定に設定した。