Light scattering on superradiant ensembles of multilevel quantum emitters

Abstract

This thesis presents a theoretical investigation of the optical properties of ensembles of ultracold multilevel quantum emitters. The theoretical model is based on the coarse-grained master equation which includes the interatomic dipole-dipole interference. We consider here complicated internal atomic structure, including several energy levels. The presence of additional energy levels leads to vacuum-induced interference between the non-degenerate dipole transitions. These processes lead to the formation of the cross-interference terms, which are usually neglected. In this work we investigate the impact of the cross-interference terms on the interatomic dipole-dipole interaction, their effect on the shapes of spectral lines, cooperative Lamb shift and cooperative decay rate.

Diese Arbeit befasst sich mit der theoretischen Erforschung der optischen Eigenschaften von Ensembles ultrakalter Quantenemitter mit mehreren Energieniveaus. Das theoretische Modell basiert auf grobgranularen Mastergleichungen unter Berücksichtigung interatomarer Dipol-Dipol-Wechselwirkungen. Die Arbeit berücksichtigt komplexe atomare Strukturen einschließlich verschiedener Energieniveaus. Das Vorhandensein der zusätzlichen Energieniveaus führt zu vakuuminduzierten Interferenzphänomenen zwischen nicht-entarteten Dipolübergängen. Diese Prozesse haben die Bildung von sogenannten Cross-Interferenztermen zur Folge, welche normalerweise vernachlässigt werden. Diese Arbeit untersucht den Einfluss dieser Cross- Interferenzterme auf die interatomare Dipol-Dipol-Wechselwirkung, ihren Effekt auf die Form von Spektrallinien, kooperative Lambverschiebung und kooperative Zerfallsrate.