Long-range interactions and collective effects in degenerate quantum gases coupled to the optical modes of a high-finesse ring cavity

• Applicant: Professor Dr. Philippe Courteille
• Subject Area: Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
• Term: from 2005 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 12590509

• Final Report Year: 2010

Final Report Abstract

Im Rahmen des DFG-Projekts: ”Langreichweitige Wechselwirkungen und kollektive Effekte in entarteten, an die optischen Mode eines Hochfinesse-Ringresonators gekoppelten Quantengasen” haben wir verschiedene Aspekte der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie untersucht. Im Vordergrund standen einerseits Instabilitäten, die sich aufgrund von spontan generierten Korrelationen zwischen aufeinander folgenden Streuprozessen in ultrakalten Gasen ausbilden. Wir konnten zeigen, dass die Korrelationen auf unterschiedliche Weisen im gekoppelten Materie-Licht-System gespeichert werden können. Bei der superradianten Rayleigh-Streuung bilden sich Kohärenzen (d.h. Interferenzen) zwischen ineinanderlaufenden Materiewellen aus. Beim kollektiven atomaren Rückstoßlaser werden die Kohärenzen im Lichtfeld gespeichert. Dennoch handelt es sich um denselben Prozess. Eine andere Form der Superradianz, auf die wir durch unsere Arbeiten gestoßen sind, verzichtet völlig auf Korrelationen zwischen Streuprozessen aufeinanderfolgender Photonen. Bei dieser Form können selbst einzelne Photonen superradiant gestreut werden, indem die unterschiedlichen Trajektorien die sie in der Atomwolke nehmen könnten konstruktiv miteinander interferieren. Wir konnten die Rolle der Einzelphotonsuperradianz beim Streuprozess experimentell elegant durch Messungen der Atomzahlabhängigkeit der Strahlungsdruckkraft aufzeigen. Ein Experiment bei dem die Dissipation des Ringresonators genutzt werden soll um die de Brogliewellen anfänglich unabhängiger Kondensate zu synchronisieren ist noch im Gange.

Publications

• Appl. Phys. B 89, 181 (2007). Ultra-cold atoms in an optical cavity: two-mode laser locking to the cavity avoiding radiation pressure
  S. Bux, G. Krenz, S. Slama, C. Zimmermann, Ph.W. Courteille
  
• Phys. Rev. A 75, 063620 (2007). Cavity-enhanced superradiant Rayleigh scattering with ultracold and Bose-Einstein condensed atoms
  S. Slama, G. Krenz, S. Bux, C. Zimmermann, Ph.W. Courteille
  
• Phys. Rev. Lett. 98, 053603 (2007). Superradiant Rayleigh scattering and collective atomic recoil lasing in a ring cavity
  S. Slama, G. Krenz, S. Bux, C. Zimmermann, Ph.W. Courteille
  
• AIP Conf. Proc. 970, 303 (2008). Proc. of the workshop ”Dynamics and thermodynamics of systems with long range interactions”, Assisi (2007). Collective atomic recoil lasing and superradiant Rayleigh scattering in a high-Q ring cavity
  S. Slama, G. Krenz, S. Bux, C. Zimmermann, Ph.W. Courteille
  
• Lecture notes of the Les Houches Summer Schools 90, 505-523 (2009). Long-range interaction in cold atom optics
  Ph.W. Courteille
  
• Eur. Phys. J. D 58, 69 (2010). Modification of radiation pressure due to cooperative scattering of light
  Ph.W. Courteille, S. Bux, E. Lucioni, K. Lauber, T. Bienaimé, R. Kaiser, N. Piovella
  
• Phys. Rev. A 82, 011404(R) (2010). Observation of cooperative Mie scattering from an ultracold atomic cloud
  H. Bender, C. Stehle, S. Slama, R. Kaiser, N. Piovella, C. Zimmermann, Ph.W. Courteille
  
• Phys. Rev. Lett. 104, 183602 (2010). Observation of cooperative radiation pressure in presence of disorder
  T. Bienaimé, S. Bux, E. Lucioni, Ph.W. Courteille, N. Piovella, R. Kaiser