共振器フリーで光の伝搬モードを制御可能な新手法の開発に成功 ~超蛍光の量子性の解明に向けて大きく前進~

20206-06-16 茨城大学

茨城大学と青山学院大学の研究グループは、光の伝搬モード(指向性)を共振器なしで制御する新手法を開発した。従来はレーザーや量子光学実験において共振器が不可欠だったが、装置サイズや実験条件に制約があった。本研究では、フェムト秒レーザーパルスを二つに分けて交差させ、高精度な干渉縞を形成し、その周期構造を利用して加熱ガラスセル中のルビジウム原子を位置選択的に励起した。干渉縞の間隔を超蛍光の半波長と一致させると、励起原子間の集団的相互作用が強まり、波長1367nmの超蛍光が特定方向へ強く放射されることを実証した。実験では、干渉縞間隔が共鳴条件に達した際に超蛍光の指向性が顕著に向上し、伝搬モードを精密制御できることが確認された。本手法は共振器や冷却原子を必要とせず、通常の気体にも適用できるため汎用性が高い。今後は超蛍光の量子性解明や量子多体光デバイス開発への応用が期待される。成果はPhysical Review Letters誌に掲載された。

共振器フリーで光の伝搬モードを制御可能な新手法の開発に成功 ~超蛍光の量子性の解明に向けて大きく前進~
図1 (a)光ピンセットレーザーによって捕獲された原子の模式図、(b)本手法によって、周期的に励起された原子集団の模式図

<関連情報>

熱ガスからの超蛍光のキャビティフリーモード制御 Cavity-Free Mode Control of Superfluorescence from Thermal Gas

H. Maeda and K. Kitano
Physical Review Letters  Published: 11 June, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/cbxq-8n45

Abstract

Transverse-mode control of light has traditionally relied on optical cavities, whereas recent cavity-free approaches based on periodically arranged cold atoms that exploit collective radiation have attracted increasing attention. Here, we demonstrate a new cavity-free method applicable to thermal gases. Using crossed femtosecond laser pulses, we excite rubidium atoms and observe superfluorescence (SF) emitted during an ultrafast relaxation process. We demonstrate successful control of the transverse modes of SF when the interference fringes formed by the crossed beams are resonant with half the SF wavelength. This ultrafast, cavity-free approach provides a versatile playground for studying interactions between quantum many-body systems and well-defined electromagnetic fields in free space.

0403電子応用
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