[논문 리뷰] Observation of the Failure of Lorentz Local field Theory in the Optical Response of Dense and Cold Atomic Systems

Stephan Jennewein, Mondher Besbes외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 27.

Orbital Angular Momentum in Optics인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 밀도가 높고 온도가 낮은 원자 구름에서 루멘츠 국소장 이론이 광학적 반응을 기술하지 못함을 보여준다. 원자 파장과 유사한 크기의 레이저 냉각 원자에서 비편재적 빛의 투과도를 측정함으로써, 저자들은 루멘츠-루렌츠 공식에 기반한 평균장 모델이 실험 데이터를 재현하지 못하는 반면, 모든 산산조각 나기 사건을 고려한 미세구조 모델은 관측 결과와 뛰어난 일치를 보임을 밝혀냈다.

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.

연구 동기 및 목표

• 밀도가 높고 온도가 낮은 원자 시스템에서 빛 산산조각 나기를 기술하는 데 있어 평균장 이론(예: 루멘츠-루렌츠)의 타당성을 조사하는 것.
• 원자 간격이 광학 파장과 유사한 경우에 국소장 이론이 적용될 때의 한계를 규명하는 것.
• 한 번의 광자가 동일한 원자에서 여러 번 산산조각 나는 반복적인 광자 산산조각 나기 사건이 광학 반응에 중대한 영향을 미치는지 확인하는 것.
• 모든 산산조각 나기 사건을 포함한 미세구조 산산조각 나기 모델이 농밀한 원자 구름에서 관측된 투과도를 더 잘 기술할 수 있는지 테스트하는 것.
• 강한 상관관계를 가진 원자 시스템에서 표준 평균장 접근법의 적용 가능성을 도전하는 실험적 증거를 제공하는 것.

제안 방법

• 고밀도와 저온을 확보하기 위해 레이저 냉각 원자를 자기광학 트랩에 갇혔다.
• 원자 구름의 비편재적 광학 반응을 탐사하기 위해 원자 공명에 가까운 주기로 조정된 레이저를 사용했다.
• 원자 수와 레이저의 떨어진 정도에 따라 빛의 투과도를 측정했다.
• 이론적 모델링은 동일한 원자에서의 반복 산산조각 나기 포함 모든 다중 산산조각 나기 사건을 포함한 미세구조적 접근을 사용했다.
• 결과는 루멘츠-루렌츠 공식에 기반한 평균장 이론의 예측와 비교되었다.
• 실험 설정은 원자 구름 크기가 광학 파장과 유사하도록 하여 다체 효과를 강화했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반복적인 광자 산산조각 나기 사건이 밀도가 높은 원자 시스템에서 평균장 근사법을 얼마나 심각하게 무너뜨리는가?
• RQ2 밀도가 높고 온도가 낮은 원자 구름의 광학 투과도는 루멘츠-루렌츠 공식에 기반한 예측과 얼마나 다를까?
• RQ3 모든 산산조각 나기 사건을 고려한 미세구조 산산조각 나기 모델이 관측된 광학 반응을 정확하게 기술할 수 있는가?
• RQ4 원자 밀도와 구름 크기(파장의 주요 척도)가 국소장 이론의 붕괴에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 다체 원자 시스템에서 독립적인 드라이프 모멘트 반응 가정이 실패하는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 루멘츠-루렌츠 공식에 기반한 평균장 이론은 농밀하고 냉각된 원자 구름에서 측정된 광학 투과도를 재현하지 못한다.
• 이 실패의 주요 원인은 동일한 원자에서 여러 번 산산조각 나는 반복적인 산산조각 나기 사건이 고려되지 않았기 때문이다.
• 실험 데이터는 높은 원자 수와 공명에 가까운 레이저 주기에서 평균장 예측과의 상당한 이격을 보였다.
• 모든 산산조각 나기 사건(반복적 포함)을 포함한 미세구조 모델은 관측된 투과도 데이터와 정량적으로 일치한다.
• 원자 구름 크기가 광학 파장과 유사할 때 루멘츠 국소장 이론의 붕괴가 가장 두드러진다.
• 이 결과들은 농밀한 원자 시스템에서의 집단적 효과가 표준 평균장 근사법으로는 기술될 수 없다는 것을 보여준다.