[論文レビュー] Theory of the crossover from lasing to steady state superradiance

David Tieri, Minghui Xu+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2017

Quantum optics and atomic interactions参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、レーザーと定常状態スーパーレイドランスの両者を一つの物理的領域の極端な例として統一的に記述する量子理論を開発する。クロスオーバー領域における系の解析を通じて、スーパーレイドランス動作が同じ出力強度下でより狭い線幅を実現し、キャビティ周波数の変動に対してより高い耐性を示すことを示し、高精度計測に向けた超安定光発振器の実現への道筋を示す。

ABSTRACT

Lasing and steady state superradiance are two phenomena that may appear at first glance to be distinct. In a laser, phase information is maintained by a macroscopic intracavity light field, and the robustness of this phase is what leads to the coherence of the output light. In contrast, the coherence of steady-state superradiant systems derives from the macroscopic collective dipole of a many-atom ensemble. In this paper, we develop a quantum theory that connects smoothly between these two extreme limits. We show that lasing and steady-state superradiance should be thought of as the two extreme limits of a continuous crossover. The properties of systems that lie in the superradiance, lasing, and crossover parameter regions are compared. We find that for a given output intensity a narrower linewidth can be obtained by operating closer to the superradiance side of the crossover. We also find that the collective phase is robust against cavity frequency fluctuations in the superradiant regime and against atomic level fluctuations in the lasing regime.

研究の動機と目的

• レーザーと定常状態スーパーレイドランスの理論的記述を統一すること。これらはしばしば別個の現象として扱われる。
• 定常状態スーパーレイドランスが、コherenceと安定性の観点で従来のレーザーを上回る条件を特定すること。
• クロスオーバー領域におけるノイズ特性（特に線幅）を、複数の理論的手法を用いて分析すること。
• 高精度計測における超安定光局所発振器の最適な動作領域を特定すること。
• 量子揺らぎ、相関、集団的ダイナミクスがシステム性能に与える役割を明確にすること。

提案手法

• 原子-キャビティ系の完全な量子ダイナミクスをモデル化するため、SU(4)演算子を用いた正確な確率的波動関数モンテカルロシミュレーションを用いる。
• 系の時間発展を半古典的近似で記述するため、c-numberランジュバン方程式を適用する。
• 量子位相拡散モデルを用いて、線幅を系のパラメータの関数として解析的に導出する。
• 集団的挙動の定性的な理解を得るため、平均場モデルを用いる。
• 複数の手法の結果を比較することで、本質的な物理的効果と数値的アーチファクトを区別する。
• モンテカルロ法においてジャンプ演算子を用いて光子数を追跡し、光子数を独立変数として明示的に扱わない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティ-原子系のコherenceおよび線幅特性は、レーザーから定常状態スーパーレイドランスへの遷移に伴い、どのように連続的に変化するか？
• RQ2 位相安定性およびノイズ耐性の観点から、レーザー動作とスーパーレイドランス動作の相対的な利点は何か？
• RQ3 量子揺らぎおよび相関は、クロスオーバー領域における線幅にどのように影響を与えるか？
• RQ4 どのパrameter領域で、集団的位相がキャビティ周波数または原子遷移周波数の揺らぎに対して最も頑健か？
• RQ5 レーザーと定常状態スーパーレイドランスを、一つの物理現象の極限として統一的に記述できる理論フレームワークは存在するか？

主な発見

• 同じ出力強度下で、定常状態スーパーレイドランスはレーザーよりも狭い線幅を実現でき、超安定局所発振器の応用において優れている。
• スーパーレイドランス領域における線幅は、∆ν ∝ (C+1)/(Cd₀−1) ⋅ Γ/(w+γ) ⋅ Ω²κ/(κ+Γ)² として、位相拡散モデルから導出される。
• スーパーレイドランス領域では、キャビティ周波数の揺らぎに対して集団的位相が頑健であるが、レーザー領域では原子準位の揺らぎに対して頑健である。
• 量子揺らぎおよび相関は線幅を決定する上で重要な役割を果たすが、半古典的c-numberランジュバン方程式を用いることで正確にモデル化可能である。
• 正確なSU(4)モンテカルロシミュレーションにより、小規模な原子数において半古典的近似の妥当性が確認され、手法の妥当性が裏付けられた。
• クロスオーバー領域では中間的挙動を示し、レーザーとスーパーレイドランスの極限の間を滑らかに補間する性質を持つ。