玻色-爱因斯坦气体中集体光散射的量子效应

我们将半经典的集体原子弹射激光 (CARL) 模型扩展到包括玻色-爱因斯坦气体原子质心运动的量子力学描述。我们表明，当原子平均动量小于散射动量 $\hbar\vec q$ 时，CARL 方程可还原为两个动量水平的 Maxwell-Bloch 方程。在保守 regime（无辐射损耗）下，量子模型取决于单个集体参数 $\rho$，可解释为经典极限下每个原子散射的光子平均数。当 $\rho\gg 1$ 时，恢复半经典的 CARL regime，多个动量水平在饱和时被占据。在相反的情况下，当 $\rho\le 1$ 时，原子平均动量在 0 和 $\hbar\vec q$ 之间振荡，发射周期为 $2\pi$ 的双曲 secant 脉冲。在耗散 regime（大辐射损耗）下且在合适的量子极限中，依次发生超荧光散射，在该过程中，原子在每次散射后发出一个 $\pi$ 双曲 secant 脉冲并占据较低的动量态。这些结果描述了近期从玻色-爱因斯坦气体中观察到的超辐射瑞利散射实验中的动量图案的规则排列。