[论文解读] Role of polaritonic modes on light scattering from a dense cloud of atoms

Nick J. Schilder, Christophe Sauvan+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2015

Strong Light-Matter Interactions被引用 6

一句话总结

本文研究了在近场相互作用占主导地位的致密原子云中的共振光散射，表明超辐射的、空间相干的极化激元模态主导了散射过程。通过微观和宏观两种方法，本文建立了这些模态与具有有效介电常数的介质粒子模态之间的一一对应关系，证明了散射普遍由这些集体模态主导。

ABSTRACT

We analyze resonant light scattering by an atomic cloud in a regime where near-field interactions between scatterers cannot be neglected. We first use a microscopic approach and calculate numerically the eigenmodes of the cloud for many different realizations. It is found that there always exists a small number of polaritonic modes that are spatially coherent and superradiant. We show that scattering is always dominated by these modes. We then use a macroscopic approach by introducing an effective permittivity so that the atomic cloud is equivalent to a dielectric particle. We show that there is a one-to-one correspondence between the microscopic polaritonic modes and the modes of a homogeneous particle with an effective permittivity.

研究动机与目标

• 理解近场相互作用显著的致密原子云中的共振光散射。
• 在忽略原子间相关性不可忽略的情况下，识别主导的散射机制。
• 建立微观极化激元模态与宏观介电行为之间的联系。
• 证明即使在无序构型下，散射也普遍由少数超辐射的、空间相干的模态主导。

提出的方法

• 采用微观方法，对多个随机实现的原子云进行数值计算，获得其本征模态。
• 在多体哈密顿量中显式包含近场偶极-偶极相互作用，以模拟集体行为。
• 通过赋予云体一个有效介电常数，引入宏观模型，将其视为均匀的介质粒子。
• 将微观系统的本征模态与有效介质粒子的本征模态进行比较，以建立对应关系。
• 从每个模态的贡献角度分析散射截面，识别主导通道。

实验结果

研究问题

• RQ1 当近场相互作用显著时，致密原子云中的主导散射模态是什么？
• RQ2 这些集体极化激元模态如何在系统中出现，其空间和辐射特性如何？
• RQ3 原子云复杂的多体行为在多大程度上可以映射到具有有效介电常数的简单介质粒子上？
• RQ4 为何即使在无序构型下，散射也普遍由少数模态主导？

主要发现

• 无论是否存在无序，原子云中始终存在少数空间相干且超辐射的极化激元模态。
• 即使在存在无序和强近场耦合的情况下，这些超辐射模态也主导了散射过程。
• 原子云的微观本征模态与具有有效介电常数的介质粒子的本征模态之间存在一一对应关系。
• 有效介电常数模型准确捕捉了原子云的集体行为，验证了其在宏观描述中的适用性。
• 散射普遍由这些少数主导模态控制，表明存在一种稳健的集体响应。