[论文解读] Cooperatively enhanced light transmission in cold atomic matter

Kasie Kemp, S.J. Roof+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2014

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 16被引用 7

一句话总结

本研究通过实验展示了在高密度、低温的87Rb原子系综中，合作增强的光透射现象，其中偶极-偶极相互作用随原子密度增加，使前向散射截面峰值抑制达一个数量级。这种抑制源于集体准模的形成，导致共振展宽和消光系数降低，绝对截面测量值通过密度不变的光谱积分得到验证，挑战了高密度量子气体中传统的比尔-朗伯定律。

ABSTRACT

We report enhanced transmission in measurements of the spectral dependence of forward light scattering by a high-density and cold ensemble of 87Rb atoms. This phenomenon, which is a result of dipole-dipole interaction induced cooperative light scattering in the atomic sample, implies a significant departure from the traditional density dependence of the transmitted light as embodied in the Beer-Lambert Law. Absolute values of the density-dependent forward light scattering cross-section are extracted from the measurements.

研究动机与目标

• 研究高密度、低温87Rb原子系综中前向光散射的光谱依赖性。
• 测量由于密集原子样品中合作效应导致的比尔-朗伯定律偏离。
• 利用归一化光谱积分作为参考，提取密度相关的前向光散射截面的绝对值。
• 理解偶极-偶极相互作用和集体激发在改变冷原子气体光学透明度中的作用。

提出的方法

• 使用磁光阱（MOT）将87Rb原子冷却并约束至低温，形成高密度、低温的原子云。
• 将近共振的探测激光束穿过原子样品，并利用CCD探测器测量前向散射强度以确定透射率。
• 记录作为激光失谐量函数的透射率光谱扫描，使用−lnT作为光学厚度的度量。
• 计算透射率曲线的归一化光谱积分，并用作密度不变的参考，以重新标定测量的散射截面。
• 模拟考虑了探测光束在非均匀原子密度分布上的空间平均效应，校正了有效光学厚度的降低。
• 基于准模分析和集体偶极-偶极相互作用的理论建模，解释了观测到的峰值截面抑制和共振展宽。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低温、高密度的87Rb原子系综中，光的前向散射截面如何随原子密度变化？
• RQ2 合作偶极-偶极相互作用在多大程度上抑制了峰值散射截面，并使透射率超出比尔-朗伯定律的预测？
• RQ3 能否利用密度不变的光谱积分从实验数据中可靠地提取绝对散射截面？
• RQ4 集体准模（特别是超辐射态和亚辐射态）在改变原子系统光学响应中起什么作用？
• RQ5 由于原子间相互作用引起的共振能级位移和展宽，如何影响观测到的光谱透射率曲线？

主要发现

• 当原子密度增加至最高测量值时，峰值前向散射截面降低了约一个数量级。
• 测量的透射率随密度显著增加，表明由于合作效应导致的透明度增强，与比尔-朗伯定律预测的线性依赖关系相反。
• 透射率曲线的归一化光谱积分在不同密度下保持恒定，验证了其用作绝对截面校准参考的可靠性。
• 模拟显示，探测光束在非均匀密度分布上的空间平均效应，在最高密度下使有效光学厚度降低约三倍。
• 观测到的峰值截面抑制归因于集体准模的形成，共振展宽和位移由偶极-偶极相互作用引起。
• 结果与合作散射和集体兰姆移位的理论预测一致，支持在高密度、低温原子系统中准模的出现。