論文の概要: Multi-excitation scattering in subwavelength atomic arrays
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.17148v1
- Date: Sun, 21 Sep 2025 16:34:57 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-09-23 18:58:16.134026
- Title: Multi-excitation scattering in subwavelength atomic arrays
- Title（参考訳）: サブ波長原子配列における多重励起散乱
- Authors: Yidan Wang, Oriol Rubies-Bigorda, Valentin Walther, Susanne F. Yelin,
- Abstract要約: 励起原子配列は、工学的な光-物質相互作用のための主要なプラットフォームである。
我々は、光子と集団原子スピン波の両方を異なる伝播励起として扱う統一量子散乱理論を提案する。
我々の研究は、複雑な量子非線形現象を解析・工学するための多用途解析ツールを提供する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.8304137083795773
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Subwavelength atomic arrays are a leading platform for engineering light-matter interactions, enabling near-perfect single-photon mirrors and robust quantum memories based on long-lived dark spin waves. However, a comprehensive theory of their nonlinear, multi-excitation dynamics has remained a significant challenge. We present a unified quantum scattering theory that treats both photons and collective atomic spin waves as distinct propagating excitations interacting across different spatial dimensions. Our central result is a powerful analytical reduction: we demonstrate that the complete multi-channel S-matrix and the associated scattering cross sections are exactly determined by the effective scattering dynamics solely within the atomic spin wave subspace. This maps the complex physical problem of photon-atom interactions to a conceptually simpler one involving only atomic modes. We apply this formalism to the two-excitation case, deriving the complete analytical S-matrix and scattering cross sections for systems with two-level nonlinearities. Our work provides a versatile analytic tool for analyzing and engineering complex quantum nonlinear phenomena, including multi-excitation subradiance, in large-scale atomic systems.
- Abstract（参考訳）: サブ波長原子配列は、長寿命のダークスピン波に基づくほぼ完璧な単一光子ミラーとロバストな量子記憶を可能にする、光-光相互作用の工学的基盤である。
しかし、非線形多励起力学の包括的理論は依然として重要な課題である。
我々は、光子と集団原子スピン波の両方を異なる空間次元で相互作用する異なる伝播励起として扱う統一量子散乱理論を提案する。
完全マルチチャネルS行列とそれに伴う散乱断面積は、原子スピン波部分空間内でのみ有効な散乱ダイナミクスによって正確に決定されることを示す。
これは光子-原子相互作用の複雑な物理的問題を、原子モードのみを含む概念的に単純なものにマッピングする。
この定式化を2レベルの非線形性を持つ系に対する完全な解析的S行列と散乱断面積を導出した2次励起の場合に適用する。
我々の研究は、大規模原子系における多励起サブ放射を含む複雑な量子非線形現象を解析・工学するための多用途解析ツールを提供する。
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