[論文レビュー] Quantum Optics in Dense Atomic Media: From Optical Memories to Fluids of Light

Quentin Glorieux|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2018

Strong Light-Matter Interactions参考文献 130被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、高密度原子系における量子光学と光の量子流体の間の統一的枠組みを提案し、非線形媒質における光がボゴリューボフ分散関係に従うことを示した。これは、小さな波数において角度に依存しない屈折を示し、新しい非線形光学効果を可能にする。本研究は量子光学における流体力学的類似を確立し、流れの抵抗キャンセレーションやホーキング放射のような超流動的現象の予測を可能にする。

ABSTRACT

Habilitation

研究の動機と目的

• 高密度原子系における量子光学と光の量子流体の物理の間の概念的・形式的な橋渡しを確立すること。
• 非線形シュレーディンガー方程式に基づく非線形媒質内での光の流体的記述が、新しい非線形光学効果を予測できることを示すこと。
• 原子蒸気内での光の伝播に流体力学的概念を適用することで、新しい量子光学実験を可能にすること。
• 暖かい原子蒸気が強く相関した量子系の量子シミュレーションプラットフォームとしての可能性を調査すること。
• 超流動性、ホーキング放射、ダイナミカルカシミア効果のような量子流体現象を光系で観測する基盤を築くこと。

提案手法

• 非線形シュレーディンガー方程式の軸対称近似を用いて、χ(3)媒質内での光の伝播をモデル化し、量子流体のグロス＝ピタエフスキー方程式に写像する。
• 電磁誘起透過（EIT）および4波混合を用いて、暖かいか冷たい原子蒸気で光-物質相互作用を制御し、光の遅延を実現する。
• 温いルビジウム蒸気および冷たい原子クラウドの両方で勾配エコー記憶（GEM）プロトコルを適用し、マルチモード光状態の記録と再生を実現する。
• 2つのコヒーレントビームを用いた二重Λ配置におけるプローブラビ周波数の修正された時間発展方程式を導出することで、ポテンシャルと非線形性の独立制御を可能にする。
• 非線形性の時間依存的クイenchを導入し、ダイナミカルカシミア効果を模擬し、量子相関を持つボゴリューボフモードを生成する。
• 生成された量子相関ペアの運動量空間相関を測定するために、出力面上での同調検出を提案し、周波数依存動的特性へ拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形シュレーディンガー方程式の流体的記述は、非線形原子系媒質内での光の伝播をどのように記述できるか？
• RQ2 光の流体におけるボゴリューボフ分散関係から、どのような新しい非線形光学効果が生じるか？
• RQ3 量子流体と原子系媒質内での光の類似性は、超流動的抵抗キャンセレーションのような新しい量子光学現象を予測できるか？
• RQ4 2つのコヒーレントビームを用いた二重Λ配置は、光系におけるチューナブルなポテンシャルと非線形性をどのように実現できるか？
• RQ5 プローブビームが存在しない非線形媒質内において、ダイナミカルカシミア効果の量子光学的特徴は何か？

主な発見

• 非線形媒質内での光はボゴリューボフ分散関係を示し、小さな波数においては群速度が一定で、大きな波数では線形に増加する。
• 低k領域における群速度の一定性は、出力でのビーム位置が入射角に依存しないことを示し、スネル＝デスカールトの法則からの逸脱を示す。
• 群速度は媒質の密度に依存するため、屈折則が強度依存的になることが可能となり、非線形イメージングの新しい可能性を提供する。
• 非線形性のクイenchによって、ダイナミカルカシミア効果に類似した量子相関を持つボゴリューボフモードの生成が可能である。
• 生成された量子ペアの運動量空間相関を測定するため、出力面上での同調検出が実現可能であると提案される。
• 二重Λ配置により、2つのコヒーレントビームを用いて有効ポテンシャルと非線形性を独立して制御でき、実験的チューナビリティが向上する。