Temporal dynamics in light scattering by disordered and ordered ensembles of cold atoms
Dynamique temporelle dans la diffusion de la lumière par des ensembles désordonnés et ordonnés d'atomes froids
Résumé
This thesis experimentally and numerically explores the temporal dynamics of light scattered by disordered and ordered (or semi-ordered) ensembles of cold diluted atoms, within the regime of linear optics. The research is set in a context where multiple light scattering in these media allows for the exploration of collective de-excitation behaviors, either accelerated or delayed, whose understanding has important implications in mesoscopic physics and quantum optics, particularly in the field of wave scattering in resonant media.The primary motivation is to better understand the mechanisms governing super-radiance, a phenomenon where the de-excitation of light occurs more rapidly than in an isolated atom, and sub-radiance, where de-excitation is slowed. These behaviors are linked to multiple scattering processes, but their exact physical connections remained unclear before this study.A secondary motivation, building on the first, is to study the temporal dynamics in ordered ensembles, where atoms are trapped in a one-dimensional periodic lattice, with the order giving rise to Bragg reflection. The question was to understand the effect of this ordering on the temporal dynamics of reflected and transmitted light.The methodology adopted is based on numerical simulations using the coupled dipole model as well as linear dispersion theory, compared with experiments conducted on laser-cooled rubidium atoms. Precise experimental protocols were developed to control the temporal profiles of probe extinction and observe the response of the atomic systems.The most significant results include the discovery that super-radiance is not always maximized with the fastest extinctions of the incident field, but that there is an optimal extinction time that maximizes this phenomenon. Moreover, we were able to link super-radiance and sub-radiance through our understanding derived from the linear dispersion model, highlighting the role of spectral broadening induced by the rapid switching off of the probe laser. Finally, with the first observation of temporal dynamics in a Bragg mirror, we revealed an unexpected flash effect in the reflection, similar to that observed in disordered media.In conclusion, these results contribute to the understanding of collective light scattering processes in diluted media and pave the way for new research on light manipulation in complex and ordered atomic systems. They also offer perspectives for the development of innovative optical devices based on these phenomena.
Cette thèse explore expérimentalement et numériquement la dynamique temporelle de la lumière diffusée par des ensembles désordonnés et ordonnés (ou semi-ordonnés) d'atomes froids dilués, dans le régime de l'optique linéaire. La recherche s'inscrit dans un contexte où la diffusion multiple de la lumière dans ces milieux permet d'explorer des comportements collectifs de désexcitation rapide ou retardée, dont la compréhension a des implications importantes en physique mésoscopique et en optique quantique, particulièrement dans le domaine de la diffusion des ondes dans des milieux résonants. La première motivation est de mieux comprendre les mécanismes qui gouvernent la super-radiance, phénomène où la désexcitation de la lumière se produit plus rapidement que pour un atome isolé, et la sous-radiance, où la désexcitation est ralentie. Ces comportements sont liés à des processus de diffusion multiple, mais leurs liens physiques exacts restaient flous avant cette étude. Une seconde motivation, dans la continuité de la première, est d'étudier la dynamique temporelle dans des ensembles ordonnés, où les atomes sont piégés dans un réseau périodique unidimensionnel, l'ordre faisant apparaître une réflexion de Bragg. La question était de savoir quel est l'effet de l'ajout de cet ordre sur la dynamique temporelle de la lumière réfléchie et transmise. La méthodologie adoptée repose sur des simulations numériques basées sur le modèle des dipôles couplés ainsi que sur la théorie de la dispersion linéaire, comparées aux expériences menées sur des atomes de rubidium refroidis par laser. Des protocoles expérimentaux précis ont été développés pour contrôler les profils temporels de l'extinction de la sonde et observer la réponse des systèmes atomiques. Les résultats les plus significatifs incluent la découverte que la super-radiance n'est pas toujours maximale pour les extinctions les plus rapides du champ incident, mais qu'il existe un temps d'extinction optimal permettant de maximiser ce phénomène. De plus, nous avons pu lier la super-radiance et la sous-radiance grâce à notre compréhension issue du modèle de la dispersion linéaire, en soulignant le rôle de l'élargissement spectral induit par la coupure rapide du laser de sonde. Enfin, avec la première observation de la dynamique temporelle dans un miroir de Bragg, nous avons révélé un effet inattendu de flash dans la réflexion, similaires à celui observés dans des milieux désordonnés. En conclusion, ces résultats contribuent à la compréhension des processus collectifs de diffusion de la lumière dans des milieux dilués et ouvrent la voie à de nouvelles recherches sur la manipulation de la lumière dans des systèmes atomiques complexes et ordonnés. Ils offrent également des perspectives pour le développement de dispositifs optiques innovants basés sur ces phénomènes.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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