Efeitos coletivos quânticos em uma nuvem diluída de átomos de dois níveis interagindo com uma luz clássica

Autor(es)

Tiago Santiago do Espirito Santo

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: São Carlos.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Instituto de Física de São Carlos (IFSC/BT)
• Data de defesa: 2020-04-03

Membros da banca

Romain Pierre Marcel Bachelard; Celso Jorge Villas Bôas; Francois Michel Claude Impens; Felipe Arruda de Araujo Pinheiro; Francisco Ednilson Alves dos Santos

• Orientador: Romain Pierre Marcel Bachelard

Resumo

O espalhamento coletivo da luz por um grande conjunto de espalhadores acoplados resulta em uma rica física de muitos corpos, contudo, é um grande desafio tratar esse problema no regime quântico. Nessa tese, consideramos uma grande nuvem atômica, com uma luz monocromática excitando o sistema, no espaço livre em que os modos de vácuo induzem interações dipolo-dipolo de longo alcance. Para estudarmos nuvens com centenas de partículas, negligenciamos correlações de ordem superior, mantendo apenas correlações quânticas entre pares de átomos: com isso reduzimos o número de graus de liberdade de 22N no modelo quântico completo para &prop; N2. Grande parte dos trabalhos presentes na literatura de interação dipolo-dipolo foram realizados no regime de óptica linear, nossas técnicas permitem comparar resultados clássicos com resultados semiclassicos e além. Em particular, superradiância e subradiância foram reportados na dinâmica de decaimento da nuvem. Em contra partida, considerando um sistema no estado fundamental e, ligando o bombeamento, nós mostramos que a superradiância também está presente nas oscilações de Rabi com uma taxa obtida ao se utilizar um modelo de um único dipolo superradiante para a intensidade irradiada. Um deslocamento de frequência na frequência de Rabi também foi observado, o qual pode ser interpretado, com teoria de dispersão linear, como uma assinatura de vacuum Rabi splitting coletivo multi-modo. Enquanto o modelo clássico captura corretamente a dinâmica para o regime de baixa intensidade, o mesmo falha aumentando-se a saturação, no entanto podemos aplicar com sucesso modelos semiclássicos. Em particular, observamos um decaimento subradiante quântico na intensidade do campo irradiado no regime saturado. Mais ainda, considerando a dinâmica de decaimento partindo de um estado saturado, observamos que os estados com n < N/2 átomos excitados decaem muito mais lentamente do que estados com n > N/2: em outras palavras, a parte superior da escada de Dicke é caracterizada pela emissão superradiante enquanto a inferior subradiante. Finalmente, investigando o espectro de fluorescência, obtemos efeitos cooperativos que modificam o perfil do espectro: bandas laterais adicionais presentes no dobro da frequência de Rabi para o regime ressonante e, fora de ressonância, uma assimetria dos picos presentes na frequência de Rabi generalizada obtida para todos os ângulos de detecção. Também apresentamos resultados preliminares de de um modelo de sensor que captura a evolução temporal do espectro na dinâmica de decaimento, situação na qual o teorema da regressão quântica não se aplica. Boa parte dos resultados foram discutidos em paralelo com dados experimentais, obtidos por um grupo experimental de colaboradores, a outra parte visa guiar experimentos futuros. (AU)

• Processo FAPESP: 18/12653-2 - Limites de Lieb-Robinson e superradiância em nuvens atômicas ultrafrias
• Beneficiário: Tiago Santiago do Espirito Santo
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto