najoNanosystems: Physics, Chemistry, MathematicsНаносистемы: физика, химия, математика2220-80542305-7971Университет ИТМОnajo-1273Research ArticlePHYSICSФИЗИКА“Superradiant” phase transition in the presence of optical collisions«Сверхизлучательный» фазовый переход в условиях оптических столкновенийЧестновИ. Ю.ChestnovI. Yu.

Честнов Игорь Юрьевич, аспирант кафедры Физики и прикладной математики,

г. Владимир.

Chestnov Igor Yu., PhD Student,

Vladimir.

igor_chestnov@mail.ruАлоджанцА. П.AlodjantsA. P.

Алоджанц Александр Павлович, доктор ф.-м. наук, доцент, профессор кафедры Физики и прикладной математики,

г. Владимир.

Alodjants Alexander P., Doctor of Science, Associate Professor, Professor,

Vladimir.

alexander_ap@list.ruАракелянС. М.ArakelianS. M.

Аракелян Сергей Мартиросович, доктор ф.-м. наук, профессор, профессор кафедры Физики и прикладной математики,

г. Владимир.

Arakelian Sergei M., Doctor of Science, Professor, Professor, 

Vladimir.

arak@vlsu.ruВладимирский государственный университет имени А. Г. и Н. Г. СтолетовыхVladimir State University named after A. G. and N. G. Stoletovs201220082025327384Copyright © Chestnov I.Y., Alodjants A.P., Arakelian S.M., 20252025Честнов И.Ю., Алоджанц А.П., Аракелян С.М.Chestnov I.Y., Alodjants A.P., Arakelian S.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nanojournal.ifmo.ru/jour/article/view/1273

A problem of high-temperature phase transitions for coupled (dressed) atom-light states and polaritons is considered. An achievement of thermodynamically equilibrium phase for such a states is possible under interaction between rubidium atoms and quantum irradiation in the presence of optical collisions (OCs) with ultra-high pressure buffer gas particles being under high temperatures (up to 530 K). Special metallic  micro-waveguides permitting  photon trapping are proposed for purpose of the enhancement of atom-field interaction. A photonic phase transition to the superradiant state, determined by the equilibrium state of coupled system, was theoretically predicted. It have been  shown that under large negative atom-light detunings and certain waveguide parameters photon-like low branch (LB) polaritons undergo high-temperature phase transition to  condensate (superfluid) state.

Рассмотрена проблема высокотемпературных фазовых переходов для связанных атомно-оптических (одетых) состояний и поляритонов. На примере атомов рубидия показано, что достижение термодинамического равновесия для таких состояний оказывается возможным при взаимодействии атомов с не резонансным квантовым излучением в присутствии оптических столкновений (ОС) с атомами буферного газа сверхвысокого давления, а также находящихся при высоких температурах (до 530К). Для увеличения эффективности атомно-оптического взаимодействия рассмотрены специальные металлические микроволноводы, осуществляющие удержание (trapping) фотонов. В этом случае теоретически предсказан фотонный фазовый переход в сверхизлучательное состояние, обусловленный равновесным состоянием среды и поля. Показано, что при относительно больших отрицательных значениях атомно-оптической отстройки, а также при определенных параметрах волновода фотоноподобные поляритоны нижней дисперсионной ветви (НДВ) претерпевают высокотемпературный фазовый переход в конденсированное (сверхтекучее) состояние.

оптические столкновенияфазовые переходыодетые состоянияполяритоныoptical collisionsphase transitionsdressed statespolaritonsРабота поддержана грантами РФФИ № 10-02-13300, 11-02-97513, а также программами Министерства образования и науки РФ - 16.518.11.7030, 2.4053. 2011 и НШ-3088.2012.2. Авторы благодарны профессору Т. А. Вартаняну за полезные обсуждения.ReferencesЛ.П. Питаевский. Конденсаты Бозе-Эйнштейна в поле лазерного излучения. УФН, 2006, 176(4), 345-364; M. Greiner, O. Mandel, T. Esslinger T. W. Hänsch and I. Bloch. Quantum phase transition from a superfluid to a Mott insulator in a gas of ultracold atoms. Nature, 2002, 415, 39-52.Л.П. Питаевский. Конденсаты Бозе-Эйнштейна в поле лазерного излучения. УФН, 2006, 176(4), 345-364; M. Greiner, O. Mandel, T. Esslinger T. W. Hänsch and I. Bloch. Quantum phase transition from a superfluid to a Mott insulator in a gas of ultracold atoms. Nature, 2002, 415, 39-52.J. J. Hopfield. Theory of the Contribution of Excitons to the Complex Dielectric Constant of Crystals. Phys. Rev. 1958, 112(5), 1555-1567; В.М. Агранович. Дисперсия электромагнитных волн в кристаллах. ЖЭТФ, 1959, 37(2), 430-441.J. J. Hopfield. Theory of the Contribution of Excitons to the Complex Dielectric Constant of Crystals. Phys. Rev. 1958, 112(5), 1555-1567; В.М. Агранович. Дисперсия электромагнитных волн в кристаллах. ЖЭТФ, 1959, 37(2), 430-441.H. Deng, G. Weihs, C. Santori, J. Bloch, Y. Yamamoto. Condensation of Semiconductor Microcavity Exciton Polaritons. Science, 2002, 298(1), 199-202; H. Deng, D. Press, S. Götzinger, G. S. Solomon. Quantum Degenerate Exciton-Polaritons in Thermal Equilibrium. Phys. Rev. Lett., 2006, 97, 146402; J. Kasprzak, M. Richard, S. Kundermann et al. Bose–Einstein condensation of exciton polaritons. Nature, 2006, 443. 409-414.H. Deng, G. Weihs, C. Santori, J. Bloch, Y. Yamamoto. Condensation of Semiconductor Microcavity Exciton Polaritons. Science, 2002, 298(1), 199-202; H. Deng, D. Press, S. Götzinger, G. S. Solomon. Quantum Degenerate Exciton-Polaritons in Thermal Equilibrium. Phys. Rev. Lett., 2006, 97, 146402; J. Kasprzak, M. Richard, S. Kundermann et al. Bose–Einstein condensation of exciton polaritons. Nature, 2006, 443. 409-414.S. Utsunomiya, L. Tian, G. Roumpos et al. Observation of Bogoliubov excitations in exciton-polariton condensates. Nature Phys., 2008, 4, 700-705; A. Amo, D. Sanvitto, F. P. Laussy et al. Collective fluid dynamics of a polariton condensate in a semiconductor microcavity, Nature, 2009, 457, 291-295.S. Utsunomiya, L. Tian, G. Roumpos et al. Observation of Bogoliubov excitations in exciton-polariton condensates. Nature Phys., 2008, 4, 700-705; A. Amo, D. Sanvitto, F. P. Laussy et al. Collective fluid dynamics of a polariton condensate in a semiconductor microcavity, Nature, 2009, 457, 291-295.D. Snoke, A. Kavokin. Are we there yet? Progress in condensation of quasiparticles. Solid State Communications, 2007, 144 357–358.D. Snoke, A. Kavokin. Are we there yet? Progress in condensation of quasiparticles. Solid State Communications, 2007, 144 357–358.Cohen-Tannoudji C., J. Dupont-Roc, G. Grynberg. Atom-Photon Interactions: Basic Processes and Aplications. Wiley, New York, 2004, 656 p.Cohen-Tannoudji C., J. Dupont-Roc, G. Grynberg. Atom-Photon Interactions: Basic Processes and Aplications. Wiley, New York, 2004, 656 p.R. E. M. Hedges, D. L. Drummond, and A. Gallagher. Extreme-Wing Line Broadening and Cs-Inert-Gas Potentials. Phys. Rev. A, 1972, 6(4), 1519-1544; N. Allard and J. Kielkopf. The effect of neutral nonresonant collisions on atomic spectral lines. Rev. Mod. Phys., 1982, 54(4), 1103-1182; A. Royer. Shift, width, and asymmetry of pressure-broadened spectral lines at intermediate densities. Phys. Rev. A, 1980, 22(4), 1625 (1980).R. E. M. Hedges, D. L. Drummond, and A. Gallagher. Extreme-Wing Line Broadening and Cs-Inert-Gas Potentials. Phys. Rev. A, 1972, 6(4), 1519-1544; N. Allard and J. Kielkopf. The effect of neutral nonresonant collisions on atomic spectral lines. Rev. Mod. Phys., 1982, 54(4), 1103-1182; A. Royer. Shift, width, and asymmetry of pressure-broadened spectral lines at intermediate densities. Phys. Rev. A, 1980, 22(4), 1625 (1980).Лисица В. С. Яковленко С. И. Оптические и радиационные столкновения. ЖЭТФ., 1974, 66(5), 1550-1559; Яковленко С.И. Поглощение мощного резонансного излучения при столкновительном уширении линий. УФН., 1982, 136(4), 594-620.Лисица В. С. Яковленко С. И. Оптические и радиационные столкновения. ЖЭТФ., 1974, 66(5), 1550-1559; Яковленко С.И. Поглощение мощного резонансного излучения при столкновительном уширении линий. УФН., 1982, 136(4), 594-620.U. Vogl, M. Weitz. Spectroscopy of atomic rubidium at 500-bar buffer gas pressure: Approaching the thermal equilibrium of dressed atom-light states. Phys.Rev.A, 2008, 78(1), 011401(R).U. Vogl, M. Weitz. Spectroscopy of atomic rubidium at 500-bar buffer gas pressure: Approaching the thermal equilibrium of dressed atom-light states. Phys.Rev.A, 2008, 78(1), 011401(R).I. Yu. Chestnov, A. P. Alodjants, S. M. Arakelian, J. Nipper, U. Vogl, F. Vewinger, M. Weitz. Thermalization of coupled atom-light states in the presence of optical collisions. Phys. Rev. A, 2010, 81, 053843.I. Yu. Chestnov, A. P. Alodjants, S. M. Arakelian, J. Nipper, U. Vogl, F. Vewinger, M. Weitz. Thermalization of coupled atom-light states in the presence of optical collisions. Phys. Rev. A, 2010, 81, 053843.Р.В. Марков, А.И. Пархоменко, А.И. Плеханов, А.М. Шалагин. Генерация на резонансном переходе атомов натрия при нерезонансном оптическом возбуждении. ЖЭТФ, 2009, 136(2), 211-223.Р.В. Марков, А.И. Пархоменко, А.И. Плеханов, А.М. Шалагин. Генерация на резонансном переходе атомов натрия при нерезонансном оптическом возбуждении. ЖЭТФ, 2009, 136(2), 211-223.A. P. Alodjants, I. Yu. Chestnov, S. M. Arakelian. High-temperature phase transition in the coupled atom-light system in the presence of optical collisions. Phys. Rev. A, 2011, 83, 053802.A. P. Alodjants, I. Yu. Chestnov, S. M. Arakelian. High-temperature phase transition in the coupled atom-light system in the presence of optical collisions. Phys. Rev. A, 2011, 83, 053802.U. Vogl, A. Saß, F. Vewinger, A. Solovev, Y. Mei, O. G. Schmidt. Light confinement by a cylindrical metallic waveguide in a dense buffer-gas environment. Phys. Rev. A, 2011, 83, 053403.U. Vogl, A. Saß, F. Vewinger, A. Solovev, Y. Mei, O. G. Schmidt. Light confinement by a cylindrical metallic waveguide in a dense buffer-gas environment. Phys. Rev. A, 2011, 83, 053403.O. G. Schmidt, K. Eberl. Nanotechnology: Thin solid films roll up into nanotubes. Nature, 2001, 410(2), 168-169.O. G. Schmidt, K. Eberl. Nanotechnology: Thin solid films roll up into nanotubes. Nature, 2001, 410(2), 168-169.Е.М, Лифшиц, Л. П. Питаевский. Теоретическая физика. Том 9. Наука, М., 1978, 448 с.Е.М, Лифшиц, Л. П. Питаевский. Теоретическая физика. Том 9. Наука, М., 1978, 448 с.K. Hepp, E. H. Lieb. On the superradiant phase transition for molecules in a quantized radiation field: the Dicke maser model. Annals of Physics, 1973, 76(2), 360-404; K. Rzazewski, K. Wodkiewicz, W. Zakowicz. Phase Transitions, Two-Level Atoms, and the A2 Term. Phys. Rev. Lett., 1975, 35(7), 432-434; G. Liberti, R. L. Zaffino. Critical properties of two-level atom systems interacting with a radiation field. Phys. Rev. A, 2004, 70(3), 033808.K. Hepp, E. H. Lieb. On the superradiant phase transition for molecules in a quantized radiation field: the Dicke maser model. Annals of Physics, 1973, 76(2), 360-404; K. Rzazewski, K. Wodkiewicz, W. Zakowicz. Phase Transitions, Two-Level Atoms, and the A2 Term. Phys. Rev. Lett., 1975, 35(7), 432-434; G. Liberti, R. L. Zaffino. Critical properties of two-level atom systems interacting with a radiation field. Phys. Rev. A, 2004, 70(3), 033808.Y. K. Wang and F. T. Hioe. Phase Transition in the Dicke Model of Superradiance. Phys. Rev. A, 1973, 7(3), 831-83.Y. K. Wang and F. T. Hioe. Phase Transition in the Dicke Model of Superradiance. Phys. Rev. A, 1973, 7(3), 831-83.P. R. Eastham and P. B. Littlewood. The thermal equilibrium of a model microcavity Bose condensation of cavity polaritons beyond the linear regime: The thermal equilibrium of a model microcavity. Phys. Rev. B, 2001, 64(23), 235101.P. R. Eastham and P. B. Littlewood. The thermal equilibrium of a model microcavity Bose condensation of cavity polaritons beyond the linear regime: The thermal equilibrium of a model microcavity. Phys. Rev. B, 2001, 64(23), 235101.R. F. Harrington, Time-Harmonic Electromagnetic Fields. Wiley, New York, 2001, 490 p.R. F. Harrington, Time-Harmonic Electromagnetic Fields. Wiley, New York, 2001, 490 p.Y. Louyer, D. Meschede, and A. Rauschenbeutel. Tunable whispering-gallery-mode resonators for cavity quantum electrodynamics. Phys. Rev. A, 2005, 72(3), 031801(R).Y. Louyer, D. Meschede, and A. Rauschenbeutel. Tunable whispering-gallery-mode resonators for cavity quantum electrodynamics. Phys. Rev. A, 2005, 72(3), 031801(R).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.