自由空间中驱动超冷原子气体的定向超辐射

超冷原子系统是最有希望揭示多体量子系统复杂行为的平台之一。一个突出的例子是稠密原子系综在强相干驱动下通过偶极-偶极相互作用相互耦合的情形。尽管已受到广泛研究，该系统仍存在许多未解之谜。最近一项在铅笔形几何结构中进行的实验报告了测量结果，当观察前向发光特性时，这些结果似乎与自由空间中“超辐射”相变形式的强集体效应的出现一致。受这些实验观察的启发，我们对系统稳态性质随驱动强度和原子数 $N$ 的变化进行了系统的理论分析。我们观察到在弱驱动区域存在集体效应的迹象，这些迹象随着驱动强度的增加而消失，系统演化为由随机取向偶极子组成的类单粒子混合态。尽管稳态与已报道的超辐射到正常的非平衡相变（也称为合作共振荧光）有一些相似之处，但我们观察到了显著的定性和定量差异，包括临界驱动参数标度律的不同（从 $N$ 变为 $\sqrt{N}$）。我们验证了在当前可及条件下，平均场理论处理能够有效捕捉稳态动力学。此外，我们发展了一个简单的理论模型，通过考虑相互作用诱导的非均匀效应和自发辐射——这是自由空间中无序相互作用阵列的固有特征——来解释其标度性质。