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Müller, Cord Axel (2001): Localisation faible de la lumière dans un gaz d´atomes froids: rétrodiffusion cohérente et structure quantique interne. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Recent experimental results show that the interference contrast observed in coherent backscattering (CBS) of light by cold atoms is drastically reduced with respect to classical disordered media. In the present theoretical contribution, we study the impact of the degeneracy of the atomic dipole transition on weak localisation of light. The non-scalar components of the atomic scattering operator are characteristic of the internal structure, and strongly modify the interference properties of multiple light scattering. A systematic analysis in terms of irreducible tensors permits to calculate exact analytical expressions for the single and double scattering contributions to the CBS signal for arbitrarily degenerate atomic dipole transitions. Furthermore, we sum up the series of ladder and crossed diagrams that describe the average scattered light intensity and the weak localisation corrections, respectively. We find that the degeneracy of the atomic transition has negligeable impact on the average light amplitude, small impact on the average intensity, but decisive impact on the interference corrections. The internal degrees of freedom very effectively reduce the interference leading to weak localisation and, therefore, the CBS signal for any degenerate atomic dipole transition.

Abstract

Experimentelle Daten zur kohärenten Rückstreuung von Licht an kalten Atomen zeigen, daß der Interferenzkontrast im Vergleich zu klassischen Streumedien deutlich reduziert ist. In der vorliegenden theoretischen Arbeit untersuchen wir den Einfluß der Entartung des atomaren Dipolübergangs auf die schwache Lokalisierung von Licht. Die nicht-skalaren Komponenten des atomaren Streutensors sind charakteristisch für die interne Struktur des Dipolübergangs und modifizieren insbesondere die Interferenzeigenschaften. Eine systematische Entwicklung nach irreduziblen Tensoren gestattet es, die Einfach- und Doppelstreuung an Atomen mit beliebiger Entartung analytisch exakt zu berechnen und die Reihe der Leiter- und Kreuzdiagramme für die mittlere Intensität sowie die Interferenzterme der schwachen Lokalisierung geschlossen aufzusummieren. Es zeigt sich, daß die Entartung des atomaren Dipolübergangs für die mittlere Lichtamplitude unerheblich ist und die mittlere Lichtintensität nur wenig beeinflußt. Dagegen werden der Interferenzbeitrag der schwachen Lokalisierung und damit das kohärente Rückstreusignal drastisch verringert, in schöner Übereinstimmung mit dem experimentellen Resultat.