[论文解读] Collective Mode Interferences in Light--Matter Interactions

Robert J. Bettles, Teodora Ilieva+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2018

Strong Light-Matter Interactions参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文展示了在致密冷原子气体中，集体本征模之间的干涉可导致衰减速率超过任意单个协同辐射模的衰减速率的超辐射发射，从而挑战了线宽与寿命之间的传统关联。实验与理论结果一致表明，初始衰减速率随光学深度增加而提高，这是由于本征模之间存在频率偏移的相干叠加效应，从而超越了最快本征模的衰减速率。

ABSTRACT

We present a theoretical and experimental analysis of transient optical properties of a dense cold atomic gas. After the rapid extinction of a weak coherent driving field (mean photon number $\sim 1.5$), a transient `flash' is observed. Surprisingly the decay of the `flash' is faster than the decay of the fastest superradiant mode of the system. We show that this `faster than superradiance decay' is expected due to the interference between collective eigenmodes that exhibit a range of frequency shifts away from the bare atomic transition. Experimental results confirm that the initial decay rate of the superradiant flash increases with optical depth, in agreement with the numerical simulations for the experimental conditions.

研究动机与目标

• 研究在弱相干激发下，致密冷原子系综的瞬态光学性质。
• 理解超辐射“闪光”衰减速率超过最快超辐射本征模的起源。
• 探讨集体光-物质系统中线宽与寿命关系的破坏。
• 建立集体模干涉在多体光-物质相互作用中的理论与实验框架。

提出的方法

• 利用驱动-耗散偶极相互作用对致密原子系综中的多体集体响应进行理论建模。
• 通过数值模拟计算多体系统的本征模、衰减速率及与本征跃迁频率的频移。
• 在可控光学深度的冷原子云中实现实验，采用弱相干驱动（平均光子数 ~1.5）。
• 对发射光进行时间分辨测量，以提取衰减动力学并对比理论预测。
• 将光学深度作为控制参数，调节集体效应，探测从单体到多体行为的过渡。
• 分析时间-频率对应关系，评估在干涉效应下线宽-寿命关系的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 集体本征模之间的干涉是否可导致衰减速率超过最快单个模的超辐射发射？
• RQ2 尽管不存在运动去相位，为何初始衰减速率随光学深度增加而上升？
• RQ3 集体模干涉如何破坏共振线宽与发射寿命之间的标准关系？
• RQ4 数值模拟在多大程度上准确再现了致密原子系综中的实验衰减动力学？
• RQ5 频率偏移与模混叠在决定瞬态发射特性方面起什么作用？

主要发现

• 超辐射闪光的初始衰减速率超过最快单个超辐射本征模的衰减速率，展示了‘超越超辐射’的衰减行为。
• 初始衰减速率随光学深度增加而上升，在实验与模拟中均表现出明确的正相关趋势。
• 尽管衰减速率增加，线宽仅略有增加，表明标准线宽-寿命对应关系被破坏。
• 观测到的动力学归因于多个具有不同频率偏移的集体本征模之间的相长干涉。
• 仅使用450个原子的模拟即可再现实验趋势，提示实验中可能存在原子密度或光学深度的低估。
• 系统保持在弱驱动 regime，由不同驱动强度下衰减速率恒定及平均光子数（~1.5）较低所证实。