Superradiance and induced emission of spatially periodic excited atoms

一次元光子場に単一あるいは複数の原子が結合している系を「導波路量子電気力学系」と呼ぶ．この系には（i）（原子励起のために）導波路から入射する光子と原子からの輻射との空間モードが一致しており，そのために両者が強く干渉し，光子－原子相互作用が自由空間の場合と比較して劇的に増強される，（ii）導波路中の伝播光子を介して，複数の原子間に長距離型の交換相互作用が生じる，という特徴がある．本年度は，単一の導波路にＮ個の励起原子が結合している状況において，導波路から原子群に古典光子パルス（コヒーレント状態）を照射した際に引き起こされる，原子群の誘導放出を理論解析した．短パルス極限（入射πパルスが個々の原子の寿命よりも十分に短い極限）において，誘導放出の解析解を得ることができる．短パルス極限では（i）すべての原子がπパルスの透過方向に光子を放出する，（ii）透過パルスは「光子付加コヒーレント状態」のような非古典的状態ではなく，平均光子数は増加するもののコヒーレント状態に保たれる，（iii）入射パルスは位相に依存せず均一に増幅され，また量子ノイズは位相空間においてほぼ位相方向のみに付加される，という新奇な特性を持つことが判明した．これらの特性によって，短パルス極限においては，増幅後の信号雑音比（ＳＮ比）が改善される．通常の位相鈍感な線形増幅器では，増幅により信号雑音比は一般に劣化するため，本現象は超放射原子による増幅に特有の現象ということができる．

一次元光子場に単一あるいは複数の原子が結合している系を「導波路量子電気力学系」と呼ぶ．この系には（i）（原子励起のために）導波路から入射する光子と原子からの輻射との空間モードが一致しており，そのために両者が強く干渉し，光子－原子相互作用が自由空間の場合と比較して劇的に増強される，（ii）導波路中の伝播光子を介して，複数の原子間に長距離型の交換相互作用が生じる，という特徴がある．本年度は，単一の導波路にＮ個の励起原子が結合している状況において，導波路から原子群に古典光子パルス（コヒーレント状態）を照射した際に引き起こされる，原子群の誘導放出を理論解析した．短パルス極限（入射πパルスが個々の原子の寿命よりも十分に短い極限）において，誘導放出の解析解を得ることができる．短パルス極限では（i）すべての原子がπパルスの透過方向に光子を放出する，（ii）透過パルスは「光子付加コヒーレント状態」のような非古典的状態ではなく，平均光子数は増加するもののコヒーレント状態に保たれる，（iii）入射パルスは位相に依存せず均一に増幅され，また量子ノイズは位相空間においてほぼ位相方向のみに付加される，という新奇な特性を持つことが判明した．これらの特性によって，短パルス極限においては，増幅後の信号雑音比（ＳＮ比）が改善される．通常の位相鈍感な線形増幅器では，増幅により信号雑音比は一般に劣化するため，本現象は超放射原子による増幅に特有の現象ということができる．