[논문 리뷰] Laser driven superradiant ensembles of two-level atoms near Dicke's regime

Giovanni Ferioli, Antoine Glicenstein외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 28.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 42인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 Dicke의 영역 근처에서 밀도가 높고 길쭉한 87Rb 원자 군집에서 레이저 구동 초광섬을 실험적으로 입증한다. 이 경우 대칭축을 따라 집단적 방출이 증폭되며, 이는 수직으로 자극된 상태임에도 불구하고 성립한다. 초광섬은 라비 진동을 수정하고, N² 비례의 Dicke 유사 방출 붕괴를 관측할 수 있게 하며, 이는 평균장 이론을 초월한 시뮬레이션과 정성적으로 일치한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 강한 레이저 구동 조건에서 두 수준 원자로 구성된 밀도가 높고 길쭉한 군집에서 초광섬을 연구하기 위해.
• 강한 전기 dipole-dipole 상호작용이 존재하는 시스템에서 집단적 방출, 라비 진동, 비마르코프 효과 간의 상호작용을 탐색하기 위해.
• 밀도가 높은 원자 구름에서 초광섬 역학을 기술하는 데 있어 평균장 이론을 초월한 이론의 타당성을 검증하기 위해.
• N ≈ 2800개의 원자를 포함한 거의 완전히 역전된 시스템에서 Dicke 초광섬을 관측하기 위해.

제안 방법

• 고해상도 수차(N.A.)를 가진 사면경 렌즈 시스템을 사용하여 원자 군집의 반경 크기 ℓrad ≈ 0.5λ₀, 축 방향 크기 ℓax ≈ 15λ₀인 밀도가 높고 길쭉한 87Rb 군집를 형성하였다.
• 고체 상태의 두 수준 전이를 분리하기 위해 고유한 피크 및 자성 상태의 광학적 펌핑을 수행하여 |g⟩ = |5S1/2, F=2, mF=−2⟩ 와 |e⟩ = |5P3/2, F′=3, m′F=−3⟩ 상태를 선택하였다.
• 축 대칭 방향과 수직인 방향으로 σ⁻-편광, 공 resonance 레이저 빔을 사용하여 군집를 자극하였다.
• 단일 광자 카운팅 모드에서 섬섬된 섬섬 광섬유를 이용하여 축 방향 (ˆx) 과 반경 방향 (ˆy) 에서 방출된 형광을 수집하였다.
• 서브-1ns 이내의 빠른 스위칭 오프 시간을 가진 고속 섬섬 광전자 모듈레이터를 사용하여 자극 펄스의 형상을 조절하였다.
• 두 번째 순서 누적 확장 기법을 사용한 아보-시작 시뮬레이션을 수행하여 평균장 이론을 초월한 동역학을 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자극 레이저가 방출 방향과 수직이어도 밀도가 높은 원자 군집에서 초광섬을 유도할 수 있는가?
• RQ2 초광섬은 집단적 원자 시스템에서 라비 진동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 거의 완전히 역전된 원자 군집에서 비마르코프 효과 및 다체 효과는 붕괴 역학에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 실험적 관측 결과인 붕괴 방출은 평균장 이론을 초월한 이론 예측과 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• 자극이 수직이었음에도 불구하고 축 대칭 방향에서 초광섬 방출이 관측되었으며, 이는 집단적 행동과 일치하는 광자 수율 증가를 보였다.
• 초광섬은 라비 진동을 크게 수정하여 단일 원자 동역학과 비교해 더 빠른 붕괴와 변형된 진폭을 보였다.
• N ≈ 2780개의 원자를 포함한 시스템에서 피크 강도가 N² 비례로 증가하는 방출 붕괴가 관측되었으며, 이는 Dicke 초광섬의 특징이었다.
• 축 방향 광자 수율은 N 의 강한 의존성을 보였고, 반경 방향의 방출은 모든 원자 수에서 단일 원자 행동과 일치하였다.
• 실험 결과는 제2순서 누적 확장 기반의 아보-시작 평균장 이론을 초월한 시뮬레이션과 정성적으로 일치하였다.
• 시스템은 거의 완전한 역전 상태에 도달하여, 전기 dipole-dipole 상호작용이 여전히 영향을 미치는 영역에서 Dicke 초광섬 특성을 관측할 수 있었다.