冷却原子を用いた遅い非線形超蛍光現象の実現と量子光学的性質の解明

超蛍光とは励起状態に分布した放射体の集合が、自然放出過程を介して自発的にエンタングルメントを形成する事によって、通常の蛍光とは異なる高強度なパルスを放射する量子多体現象である。約半世紀に渡り超蛍光は二準位系の現象として認知されてきたが、近年、多準位系ではナノ秒以下の高速な非線形光学現象（以下、非線形超蛍光現象と呼ぶ）を誘発する事が明らかになった。この事は、多彩な非線形光学過程を制御する事で量子多体系からの新奇輻射現象を実現できる事を強く示唆している。非線形超蛍光現象の量子性を研究するためには、輻射場の光子数密度（フォトンフラックス）をフォトンカウンティング手法を適用可能なレベルまで低くする事が必要となる。そこで本研究では、冷却原子を用いる事でマイクロ秒以下のゆっくりと時間変化し、かつフォトンフラックスが十分に小さい非線形光学現象を実現し、その量子性を研究する事を研究目的としている。今年度は、冷却原子を実現するための真空装置の設計と製作準備を実施した。超蛍光を実現するには高い光学濃度が必要となる。そこで真空装置を設計する際には二次元磁気光学トラップと呼ばれる楕円球状の原子雲を実現可能な手法の適用を想定した。また、冷却原子を用いた実験とガスセル中の加熱原子を用いた実験とでは互いに相補的な情報を得る事ができると期待される。そこで、今年度は以下に示す通りガスセルを用いた実験によって新しい研究成果が得られた。本研究対象の物理系であるルビジウム原子の非線形超蛍光現象に関して、放出される三色の輻射場に和周波発生分光法を適用した。その結果、すべての輻射場の時間波形を高い時間分解能で観測する事に成功し、ダイナミクスに関する情報を正確に得る事ができた。この結果は冷却原子の実験を実施する上で重要な指標となる。

超蛍光とは励起状態に分布した放射体の集合が、自然放出過程を介して自発的にエンタングルメントを形成する事によって、通常の蛍光とは異なる高強度なパルスを放射する量子多体現象である。約半世紀に渡り超蛍光は二準位系の現象として認知されてきたが、近年、多準位系ではナノ秒以下の高速な非線形光学現象（以下、非線形超蛍光現象と呼ぶ）を誘発する事が明らかになった。この事は、多彩な非線形光学過程を制御する事で量子多体系からの新奇輻射現象を実現できる事を強く示唆している。非線形超蛍光現象の量子性を研究するためには、輻射場の光子数密度（フォトンフラックス）をフォトンカウンティング手法を適用可能なレベルまで低くする事が必要となる。そこで本研究では、冷却原子を用いる事でマイクロ秒以下のゆっくりと時間変化し、かつフォトンフラックスが十分に小さい非線形光学現象を実現し、その量子性を研究する事を研究目的としている。今年度は、冷却原子を実現するための真空装置の設計と製作準備を実施した。超蛍光を実現するには高い光学濃度が必要となる。そこで真空装置を設計する際には二次元磁気光学トラップと呼ばれる楕円球状の原子雲を実現可能な手法の適用を想定した。また、冷却原子を用いた実験とガスセル中の加熱原子を用いた実験とでは互いに相補的な情報を得る事ができると期待される。そこで、今年度は以下に示す通りガスセルを用いた実験によって新しい研究成果が得られた。本研究対象の物理系であるルビジウム原子の非線形超蛍光現象に関して、放出される三色の輻射場に和周波発生分光法を適用した。その結果、すべての輻射場の時間波形を高い時間分解能で観測する事に成功し、ダイナミクスに関する情報を正確に得る事ができた。この結果は冷却原子の実験を実施する上で重要な指標となる。