[논문 리뷰] Steady-state, cavity-less, multimode superradiance

Joel A. Greenberg, Daniel J. Gauthier|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 01.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 약한 광학 펌핑을 사용하여 냉각된 원자 증기에서 안정된 상태, 공진기 없는 초광섬을 구현한다. 임계 펌핑 강도 이하(1 mW/cm²)에서, 자가 조직화된 밀도 격자가 형성되어 다중모드로 일관된 초광섬 방출을 이끌어내며, 이는 수백 마이크로초에 이르는 일관성 시간과 모드 간 시간적 상관관계를 포함한다. 이러한 상태는 수 초 동안 지속된다.

ABSTRACT

We demonstrate steady-state, mirrorless superradiance in a cold vapor pumped by weak optical fields. Beyond a critical pump intensity of 1 mW/cm$^2$, the vapor spontaneously transforms into a spatially self-organized state: a density grating forms. Scattering of the pump beams off this grating generates a pair of new, intense optical fields that act back on the vapor to enhance the atomic organization. We map out experimentally the superradiant phase transition boundary and show that it is well-described by our theoretical model. The resulting superradiant emission is nearly coherent, persists for several seconds, displays strong temporal correlations between the various modes, and has a coherence time of several hundred $\mu$s. This system therefore has applications in fundamental studies of many-body physics with long-range interactions as well as all-optical and quantum information processing.

연구 동기 및 목표

• 냉각된 원자 증기에서 공진기 없이 안정된 상태의 초광섬을 달성하기 위해.
• 집단적 산란를 통해 장거리 드립올-드립올 상호작용에 의해 유도된 원자 시스템의 자가 조직화를 탐구하기 위해.
• 정상 상태와 초광섬 상태 사이의 상전이 경계를 실험적·이론적으로 맵핑하기 위해.
• 향후 양자 정보 응용을 위한 잠재적 활용을 위해 나타나는 초광섬장의 일관성 및 시간적 동역학을 특성화하기 위해.

제안 방법

• 약한 광학장(1 mW/cm² 임계값)으로 냉각된 원자 증기를 펌핑하여 집단적 원자 반응을 유도하기 위해.
• 집단적 원자 재구성과 드립올-드립올 상호작용으로 인해 자발적으로 밀도 격자가 형성됨을 이용하기 위해.
• 펌핑 빛이 밀도 격자에서 산란되어 강력하고 일관된 초광섬장이 생성되도록 피드백을 제공하기 위해.
• 방출 스펙트럼과 시간적 강도 상관관계를 측정하여 일관성과 모드 구조를 특성화하기 위해.
• 실험적 상전이 경계를 초광섬 불안정성의 이론 모델과 비교하기 위해.
• 시간 해상도 측정을 통해 수백 마이크로초에 이르는 일관성 시간을 측정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 광학 펌핑을 사용하여 공진기 없는 시스템에서 안정된 상태의 초광섬을 달성할 수 있는가?
• RQ2 냉각된 원자 증기에서 초광섬 방출이 시작되는 데 필요한 임계 펌핑 강도는 얼마인가?
• RQ3 다중모드 초광섬 상태에서 시간적 상관관계와 일관성 특성은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 이론 모델이 관측된 초광섬 상전이 경계를 얼마나 정확하게 예측하는가?
• RQ5 초광섬 방출의 일관성과 안정성의 시간스케일은 무엇인가?

주요 결과

• 공진기 없는 시스템에서 약한 광학 펌핑(1 mW/cm² 임계값)만으로 안정된 상태의 초광섬을 달성하였다.
• 임계 펌핑 강도 이상에서 자가 조직화된 밀도 격자가 형성되어 집단적 산란과 피드백을 매개한다.
• 수백 마이크로초에 이르는 일관성 시간을 가지며, 다중모드로 거의 일관된 빛을 방출한다.
• 초광섬 방출이 수 초 동안 지속되어 장수명의 집단적 동역학을 나타낸다.
• 다양한 초광섬 모드 간에 시간적 강도 상관관계가 관측되어 강한 집단적 행동을 나타낸다.
• 실험적으로 측정한 상전이 경계가 초광섬 불안정성의 이론 모델과 잘 일치한다.