[论文解读] Steady-state, cavity-less, multimode superradiance

Joel A. Greenberg, Daniel J. Gauthier|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2012

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 3

一句话总结

该论文通过弱光泵浦在冷原子气中实现了稳态、无腔体的超辐射。当泵浦强度超过临界值（1 mW/cm²）时，自组织形成的密度光栅导致相干的多模超辐射发射，相干时间长达数百微秒，模式间具有时间关联性，可持续数秒。

ABSTRACT

We demonstrate steady-state, mirrorless superradiance in a cold vapor pumped by weak optical fields. Beyond a critical pump intensity of 1 mW/cm$^2$, the vapor spontaneously transforms into a spatially self-organized state: a density grating forms. Scattering of the pump beams off this grating generates a pair of new, intense optical fields that act back on the vapor to enhance the atomic organization. We map out experimentally the superradiant phase transition boundary and show that it is well-described by our theoretical model. The resulting superradiant emission is nearly coherent, persists for several seconds, displays strong temporal correlations between the various modes, and has a coherence time of several hundred $\mu$s. This system therefore has applications in fundamental studies of many-body physics with long-range interactions as well as all-optical and quantum information processing.

研究动机与目标

• 在冷原子气中实现无光学谐振腔的稳态超辐射。
• 通过集体散射研究由长程偶极-偶极相互作用驱动的原子系统自组织现象。
• 通过实验与理论方法绘制正常态与超辐射态之间的相变边界。
• 表征新兴超辐射场的相干性与时序动力学，以期应用于量子信息领域。

提出的方法

• 以弱光场（1 mW/cm²为阈值）泵浦冷原子气，诱导原子集体响应。
• 利用原子集体重排与偶极-偶极相互作用导致的自发密度光栅形成。
• 通过泵浦光束在密度光栅上的散射实现反馈，产生高强度、相干的超辐射场。
• 通过测量发射光谱与时间强度关联性，表征相干性与模式结构。
• 将实验测得的相变边界与超辐射不稳定性理论模型进行比较。
• 采用时间分辨探测测量相干时间，最长可达数百微秒。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无腔系统中通过弱光泵浦实现稳态超辐射？
• RQ2 冷原子气中超辐射发射开始的临界泵浦强度阈值是多少？
• RQ3 在多模超辐射区域，时间关联性与相干性特性如何演化？
• RQ4 理论模型在多大程度上能准确预测观测到的超辐射相变边界？
• RQ5 超辐射发射的相干性与稳定性时间尺度是多长？

主要发现

• 仅通过弱光泵浦（1 mW/cm²阈值）即可在无腔系统中实现稳态超辐射。
• 在临界泵浦强度以上，自组织形成的密度光栅介导了集体散射与反馈。
• 系统发射多模、近乎相干的光，相干时间可达数百微秒。
• 超辐射发射可持续数秒，表明具有长寿命的集体动力学。
• 在不同超辐射模式之间观测到时间强度关联性，表明强烈的集体行为。
• 实验测得的相变边界与超辐射不稳定性理论模型高度吻合。