Temporal coherence and collective effects in light scattering by cold atoms

Abstract

This thesis investigates the temporal coherence properties and collective effects of light scattered by disordered ensembles of cold atoms. Using cold atomic clouds as a highly controllable experimental platform, we combine measurements of first- and secondorder optical correlation functions with theoretical modeling and numerical simulations to characterize different scattering regimes. We first examine the Siegert relation, establish the conditions for its validity, and experimentally verify its applicability in our system as a simple link between first- and second-order correlation functions. We then identify a transition between two distinct light-scattering regimes, characterized by different mechanisms responsible for coherence loss: a classical, atomic motion-induced mechanism at low saturation and a quantum fluctuations-driven mechanism associated with spontaneous emission under strong saturation. Next, we investigate the role of the atomic cloud geometry in the scattering process, demonstrating that by controlling the cloud geometry it is possible to reduce multiple scattering and consequently enhance the coherence time of the scattered light. Finally, we theoretically explore signatures of collective effects in the Rabi oscillation dynamics of strongly driven, interacting two-level systems, revealing a collective displacement of the resonance frequency that increases with the optical depth of the system.

Cette thèse étudie les propriétés de cohérence temporelle et les effets collectifs de la lumière diffusée par des ensembles désordonnés d’atomes froids. En utilisant des nuages d’atomes froids comme une plateforme expérimentale hautement contrôlable, nous combinons des mesures des fonctions de corrélation optique du premier et du second ordre avec des modèles théoriques et des simulations numériques afin de caractériser différents régimes de diffusion. Nous examinons tout d’abord la relation de Siegert, établissons les conditions de sa validité et vérifions expérimentalement son applicabilité dans notre système en tant que lien simple entre les fonctions de corrélation du premier et du second ordre. Nous identifions ensuite une transition entre deux régimes distincts de diffusion de la lumière, caractérisés par différents mécanismes responsables de la perte de cohérence : un mécanisme classique induit par le mouvement atomique à faible saturation et un mécanisme dominé par les fluctuations quantiques associé à l’émission spontanée en régime de forte saturation. Nous étudions ensuite le rôle de la géométrie du nuage atomique dans le processus de diffusion, en montrant que le contrôle de la géométrie du nuage permet de diminuer la diffusion multiple et, par conséquent, d’augmenter le temps de cohérence de la lumière diffusée. Enfin, nous explorons théoriquement des signatures d’effets collectifs dans la dynamique des oscillations de Rabi de systèmes à deux niveaux fortement excités et en interaction, révélant un déplacement collectif de la fréquence de résonance qui augmente avec l’épaisseur optique du système.