論文の概要: Measuring the time atoms spend in the excited state due to a photon they don't absorb

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2010.02200v1
• Date: Mon, 5 Oct 2020 17:59:06 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-04-29 22:27:56.430778
• Title: Measuring the time atoms spend in the excited state due to a photon they don't absorb
• Title（参考訳）: 原子が吸収しない光子によって励起状態に費やされる時間を測定する
• Authors: Josiah Sinclair, Daniela Angulo, Kyle Thompson, Kent Bonsma-Fisher, Aharon Brodutch, and Aephraim M. Steinberg
• Abstract要約: 超低温のルビジウム原子を用いた実験では、原子が入射光子によって励起されているかどうかと、それらの光子が伝達されているかどうかを同時に記録する。 平均的な時間原子は1つの送信された光子によって励起状態に費やされることはゼロではなく、平均的な入射光子が励起状態に費やされる時間の割合の77$pm$ 16)%であることがわかった。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: When a resonant photon traverses a sample of absorbing atoms, how much time do atoms spend in the excited state? Does the answer depend on whether the photon is ultimately absorbed or transmitted? In particular, if it is $\textit{not}$ absorbed, does it cause atoms to spend any time in the excited state, and if so, how much? In an experiment with ultra-cold Rubidium atoms, we simultaneously record whether atoms are excited by incident ("signal") photons and whether those photons are transmitted. We measure the time spent by atoms in the excited state by using a separate, off-resonant "probe" laser to monitor the index of refraction of the sample - that is, we measure the nonlinear phase shift written by a signal pulse on this probe beam - and use direct detection to isolate the effect of single transmitted photons. For short pulses (10 ns, to be compared to the 26 ns atomic lifetime) and an optically thick medium (peak OD = 4, leading to 60% absorption given our broad bandwidth), we find that the average time atoms spend in the excited state due to one transmitted photon is not zero, but rather (77 $\pm$ 16)% of the time the average incident photon causes them to spend in the excited state. We attribute this observation of "excitation without loss" to coherent forward emission, which can arise when the instantaneous Rabi frequency (pulse envelope) picks up a phase flip - this happens naturally when a broadband pulse propagates through an optically thick medium with frequency-dependent absorption [1]. These results unambiguously reveal the complex history of photons as they propagate through an absorbing medium and illustrate the power of utilizing post-selection to experimentally investigate the past behaviour of observed quantum systems.
• Abstract（参考訳）: 共鳴フォトンが吸収する原子のサンプルを横切ると、原子は励起状態にどれくらいの時間を費やしているのか? 答えは最終的に光子が吸収されるか伝達されるかに依存するか? 特に、$\textit{not}$ が吸収された場合、原子は励起状態においていつでも時間を費やすことになる。 超低温ルビジウム原子の実験では、入射光子によって原子が励起されているか、光子が伝達されているかを同時に記録する。 試料の屈折率を計測するために、分離された共振型「プローブ」レーザーを用いて励起状態の原子が費やした時間を計測し、このプローブビーム上の信号パルスによって書かれた非線形位相シフトを測定し、直接検出して単一の透過光子の効果を分離する。 短パルス(10 ns,26 ns の原子寿命と比較)と光学的に厚い媒体(ピーク od = 4 で帯域幅が広くなると60%の吸収)では、1つの透過光子による励起状態における原子の平均時間はゼロではなく、平均インシデント光子が励起状態に費やす時間(77 $\pm$ 16)%である。 我々はこの「損失のない励起」の観察をコヒーレント・フォワード・エミッション(英語版)によるものとみなし、これは即時ラビ周波数(パルスエンベロープ)が位相フリップを拾ったときに起こりうるものであり、これは周波数依存吸収を持つ光学的に厚い媒体を伝播するブロードバンドパルスが自然に起こる。 これらの結果は、吸収媒質を介して伝播する光子の複雑な歴史を明らかにし、観測された量子系の過去の挙動を実験的に研究するためのポストセレクションを利用する力を示す。

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