RYDBERG ATOMS AND RADIATION IN A RESONANT CAVITY I, THEORY

Résumé
Nous analysons dans ce papier divers aspects de l'interaction d'atomes de Rydberg avec une cavité électromagnétique. Nous montrons qu'un ensemble d'atomes couplés à un mode unique du champ à une température finie se comporte comme un "objet quantique unique" manifestant des effets interprétables en terme de statistique de Bose ou de mouvement brownien. Nous décrivons l'amplification transitoire du champ thermique par un échantillon d'atomes de Rydberg et étudions l'évolution de la statistique des photons émis en fonction du temps. Nous montrons également qu'un atome de Rydberg isolé dans une cavité résonnante évolue suivant un régime oscillant ou amorti, suivant les valeurs respectives des constantes de temps du couplage atome-champ et champ-parois de la cavité. Nous analysons cet effet comme une modification des propriétés d'émission spontanée de l'atome induite par la présence de la cavité. Des expériences destinées à vérifier ces effets sont en cours et seront décrites dans le papier suivant.

Abstract
We analyze in this paper various aspects of the interaction of Rydberg atoms with resonant electromagnetic cavity. We show that an ensemble of Rydberg atoms coupled to a single field mode at a finite temperature behaves as a single quantum object exhibiting features of Bose-Einstein statistics and Brownian motion. We analyze the transient amplification of the blackbody field by a Rydberg sample and study the change of the photon emission statistics as a function of time. We also show that an isolated Rydberg atom in a cavity undergoes either an oscillating or a damped evolution according to the respective values of the atom to field coupling and cavity damping times and we analyze this effect in term of a modification of the vacuum field modes surrounding the atom. Experiments to check these effects are under progress and will be described in next paper.