Light-atom interaction: mean-field approach and intensity fluctuations

• Main Author: Cottier, Florent André Julien
• Other Authors: Bachelard, Romain Pierre Marcel
• Format: Others
• Language: en
• Published: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP 2019
• Subjects: Anderson localization; Átomos frios; Cold atoms; Cooperative effects; Efeitos cooperativos; Localização de Anderson; Super- and subradiance; Super- e subradiância
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76131/tde-08052019-093257/

In this thesis, we investigate the coherent scattering of light propagating in a random medium. We are interested in phenomena like the super- and subradiance and Anderson localization that are related to waves interferences and spatial disorder. However, the fundamental difference between subradiance and Anderson localization still needs to be clarified. This thesis gives new elements for the understanding of these phenomena and we present a new method to observe Anderson localization. A mean-field model that does not contain disorder is developed, and we show that super- and subradiance do not require disorder whereas Anderson localization does. In this theoretical work, the coupling between the light and many atoms is reduced to a coupling matrix between the atoms by tracing over the degrees of freedom of the light, which results in a linear problem for the atomic dipoles. The study of the eigenvalues and eigenmodes of this matrix then allows to determine the super- and subradiant modes, and to probe the Anderson localization phase transition with a scaling analysis. Furthermore, the link to the experiment is realized by showing that the intensity fluctuations present an increase at the localization transition. The system is studied in the steady-state regime when the medium is continuously charged by a laser until reaches a stationary regime, and the decay dynamics, when the laser is switched off, so the cloud releases the energy stored. Finally, we present a preliminary work that shows that the diagonal disorder might be a good strategy to reach Anderson localization. === Nesta tese, investigamos o espalhamento coerente de luz propagando em um meio aleatório. Estamos interessados em fenômenos como superradiância, subradiância e localização de Anderson, os quais estão relacionados com interferências de ondas e desordem espacial. No entanto, as diferenças fundamentais entre subradiância e localização de Anderson ainda precisam ser esclarecidas. Esta tese traz novos elementos na compreensão destes fenômenos e apresentamos um novo método para observar a localização de Anderson. Neste trabalho teórico, estudamos os autovalores e os automodos de uma matriz de acoplamento que permite extrair modos super- e subradiantes, e exibem uma transição de fase de localização de Anderson através de uma análise de escalamento. Além disso, a conexão com o experimento é feita através da intensidade irradiada pela nuvem em todas as direções. Distinguimos dois casos: o regime de estado estacionário, quando o meio é continuamente excitado por um laser e alcança um regime estacionário; e o caso dinâmico, onde o laser é desligado e a nuvem libera a energia armazenada. Desenvolvemos um modelo de campo médio que não inclui desordem, e mostramos que super- e subradiância não precisam da desordem para existir, ao contrário da localização de Anderson. Mostramos também que podemos observar uma transição de fase de localização de Anderson na estatística da intensidade. Finalmente, apresentamos um trabalho preliminar que mostra que a desordem diagonal pode ser uma boa estratégia para alcançar a localização de Anderson.