[论文解读] Laser driven superradiant ensembles of two-level atoms near Dicke's regime

Giovanni Ferioli, Antoine Glicenstein+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 42被引用 2

一句话总结

本研究在接近Dicke区域的致密、长形87Rb原子系综中实现了激光驱动的超辐射，尽管激发方向与对称轴垂直，沿对称轴方向的集体辐射仍被增强。超辐射改变了拉比振荡，并实现了与N²成比例的Dicke型脉冲辐射，与非平均场模拟定性一致。

ABSTRACT

We report the experimental observation of superradiant emission emanating from an elongated dense ensemble of laser cooled two-level atoms, with a radial extent smaller than the transition wavelength. In the presence of a strong driving laser, we observe that the system is superradiant along its symmmetry axis. This occurs even though the driving laser is orthogonal to the superradiance direction. This superradiance modifies the spontaneous emission, and, resultantly, the Rabi oscillations. We also investigate Dicke superradiance in the emission of an almost fully-inverted system as a function of atom numnber. The experimental results are in qualitative agreement with ab-initio, beyond-mean-field calculations.

研究动机与目标

• 研究在强激光驱动下，致密、长形双能级原子系综中的超辐射行为。
• 探讨强偶极-偶极相互作用系统中，集体辐射、拉比振荡与非马尔可夫效应之间的相互作用。
• 检验非平均场理论在描述致密原子云中超辐射动力学时的有效性。
• 在接近完全反转的系统中观测Dicke超辐射，原子数N ≈ 2800。

提出的方法

• 使用高数值孔径四透镜系统，构建径向尺寸ℓrad ≈ 0.5λ₀、轴向尺寸ℓax ≈ 15λ₀的致密、长形87Rb原子云。
• 通过超精细和Zeeman光学泵浦，分离出|g⟩ = |5S1/2, F=2, mF=−2⟩与|e⟩ = |5P3/2, F′=3, m′F=−3⟩之间的闭合双能级跃迁。
• 使用与轴对称方向垂直的σ⁻-偏振、共振激光束激发原子云。
• 利用光纤耦合雪崩光电二极管在单光子计数模式下，沿轴向（ˆx）和径向（ˆy）方向收集荧光。
• 采用快速光纤电光调制器，实现开关时间小于1ns的激发脉冲整形。
• 采用二阶累积量展开技术进行从头算模拟，以模拟非平均场动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 当驱动激光方向与辐射方向垂直时，是否可在致密原子系综中诱导超辐射？
• RQ2 超辐射如何改变集体原子系统中的拉比振荡？
• RQ3 非马尔可夫效应与多体效应在接近完全反转的原子云衰减动力学中起何种作用？
• RQ4 实验观测到的脉冲辐射与非平均场理论预测的符合程度如何？

主要发现

• 尽管激发方向与对称轴垂直，仍沿轴向对称方向观测到超辐射，光子发射速率增强与集体行为一致。
• 超辐射显著改变了拉比振荡，表现为衰减加快且振幅改变，与单原子动力学明显不同。
• 对于N ≈ 2780个原子，系统表现出一个发射脉冲，其峰值强度近似与N²成比例，表现出Dicke超辐射的典型特征。
• 轴向光子发射率表现出强烈的N依赖性，而径向发射在所有原子数下均与单原子行为一致。
• 实验结果与基于二阶累积量展开的从头算非平均场模拟结果定性一致。
• 系统实现了近乎完全反转，使得在偶极-偶极相互作用仍具影响力的区域中，观测到了Dicke超辐射的特征。