<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">896174</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2022.896174</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Nonlinear Quantum Optics With Structured Light: Tightly Trapped Atoms in the 3D Focus of Vectorial Waves</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Guti&#xe9;rrez-J&#xe1;uregui and J&#xe1;uregui</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Nonlinear Quantum Optics with Structured Light</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Guti&#xe9;rrez-J&#xe1;uregui</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>J&#xe1;uregui</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1716873/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>Department of Physics</institution>, <institution>Columbia University</institution>, <addr-line>New York</addr-line>, <addr-line>NY</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Departamento de F&#xed;sica Cu&#xe1;ntica y Fot&#xf3;nica</institution>, <institution>Instituto de F&#xed;sica</institution>, <institution>Universidad Nacional Aut&#xf3;noma de M&#xe9;xico</institution>, <institution>Circuito de la Investigaci&#xf3;n Cient&#xed;fica s/n</institution>, <institution>Ciudad Universitaria</institution>, <addr-line>Ciudad de M&#xe9;xico</addr-line>, <country>Mexico</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1404025/overview">Omar Magana-Loaiza</ext-link>, Louisiana State University, United States</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1737498/overview">Blas Manuel Rodriguez Lara</ext-link>, Instituto de Tecnolog&#xed;a y Educaci&#xf3;n Superior de Monterrey (ITESM), Mexico</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1746439/overview">Jose Javier Sanchez Mondragon</ext-link>, National Institute of Astrophysics, Optics and Electronics (INAOE), Mexico</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: R. J&#xe1;uregui, <email>rocio@fisica.unam.mx</email>; R. Guti&#xe9;rrez-J&#xe1;uregui, <email>r.gutierrez.jauregui@gmail.com</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Quantum Engineering and Technology, a section of the journal Frontiers in Physics</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>16</day>
<month>06</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>10</volume>
<elocation-id>896174</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>14</day>
<month>03</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>19</day>
<month>04</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2022 Guti&#xe9;rrez-J&#xe1;uregui and J&#xe1;uregui.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Guti&#xe9;rrez-J&#xe1;uregui and J&#xe1;uregui</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Atomic gases tightly trapped near the focus of an electromagnetic wave interact with photons that exhibit a complex structure, displaying strong gradients of field amplitude and local polarization that can lead to topological phase singularities. We illustrate the consequences of this structure on a paradigmatic nonlinear optical process: three-wave mixing. The process begins by proper selection of the pump field, whose spatial structure is tailored to present huge gradients of the EM field that enhance atomic excitations through forbidden transitions. Atoms can then be depopulated <italic>via</italic> two electric dipole decays in a cascade configuration, thus providing the three necessary waves. The properties of the down-converted photons are conditioned to those of the pump field through phase matching conditions. It is emphasized that the expression of the photons must incorporate both the structure of the vectorial EM modes and the spatial configuration of the atomic trap. Due to the three-dimensional focusing, the slowly varying envelope approximation becomes inadequate when describing the scattered EM field. We discuss an alternative using a Green function formalism valid for any configuration of the field that also allows to identify the phase matching conditions. Spherical vectorial waves exemplify most concepts here discussed, including the possibility of observing nonlinear quantum phenomena at the single photon level.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>quantum optics and applications</kwd>
<kwd>nonlinear optics and laser properties</kwd>
<kwd>structured light (SL)</kwd>
<kwd>three-wave mixing (TWM)</kwd>
<kwd>forbidden transition</kwd>
</kwd-group>
<contract-sponsor id="cn001">Universidad Nacional Aut&#xf3;noma de M&#xe9;xico<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100005739</named-content>
</contract-sponsor>
</article-meta>
</front>
<body>
<p>It is now 60&#xa0;years from publication of the emblematic work: <italic>Interaction between light waves in a nonlinear dielectric</italic> where Bloembergen and collaborators set out to connect the radiative response of electrons in atomic gases to the nonlinear optical properties of macroscopic dielectrics [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>]. The connection was based on the collective, coherent scattering of light from atoms inside the gas and its relation to the incident electromagnetic field. The authors showed that the coherence between scattered and incident fields induces electric moments on the atoms that can yield nonlinear terms in the field strength, thus coupling waves of different frequencies. To unearth these effects a quasimonochromatic light source of high-brightness, directionality, and stable intensity as that given by the laser was required [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>]. As modern technologies delve deeper into miniaturization, we need to look back at this connection but now placing emphasis on an efficient transfer of light at low intensities. An efficiency that can be reached by tailoring spatial and temporal profiles of light and matter through light-shaping techniques [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>] and versatile atomic traps [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>].</p>
<p>Considered most broadly, the nonlinear process arises from the underlying interaction between light and matter. An illuminated atom probes and modifies the surrounding electromagnetic (EM) field, acquiring information on field intensities, gradients, and temporal correlations as it scatters photons between populated and vacuum modes. When the illuminating field is tailored to match the spatial and temporal profiles of the atomic radiation pattern, it can create a strong nonlinear response. Three-wave mixing represents the most simple response where fields of different frequencies couple and the potential of structured light is made apparent. Its implementation requires for three waves to induce a cycling transition in an atomic medium: moving up <italic>via</italic>, for instance, an electric quadrupole transition and cascading down <italic>via</italic> two electric dipole transitions through an intermediate level. Under adequate phase matching conditions an incident beam inducing the quadrupole transition gives rise to lower frequency waves, thus acting as a parametric amplifier. This example was chosen in Ref. [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>] to show how symmetry constraints affect the nonlinear coupling. The experimental challenges to induce this process in atomic gases at the time were, however, formidable, with the conditions for observing quadrupole transitions being found in astrophysical or laboratory plasmas mostly [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>]. Experiments searching to create correlated photons whose frequencies matched the atomic transition moved towards next order [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>]. The first sources of correlated photon pairs were based on a cascade decay in a four-wave mixing process [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>] and led to enabling technologies in lithography [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>], tomography [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>], cryptography [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] and imaging [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>] with multiple physics [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>] and transdisciplinary [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>] applications.</p>
<p>Atomic electric quadrupole transitions require large gradients in the amplitude of the incoming field. It is now possible to meet the experimental challenges to induce these transitions and explore three-wave mixing in atomic gases. On the one hand, further development of high-intensity lasers allows for the observation of quadrupole transitions even using thermal atomic samples and paraxial pump beams [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>]. On the other hand, a quadrupole transition can be induced by large gradients in the amplitude of the incident EM field down to the limit of weak intensities. For this, spatial gradients are generated by shaping light using either phase singularities [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>] or evanescent waves [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>] for which even micro-Watt intensity lasers can suffice [<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>].</p>
<p>In this manuscript we look back at the three-wave mixing process following ideas of light shaping and monitoring mechanisms that have been developed since the early days of nonlinear optics. Deep down this work is driven by the following thought: transitions with a single photon can trigger strong nonlinear optical processes when the spatial profile of the photon is tailored. The ideal scenario involves spherical vectorial waves, whose implementation remains challenging as they require control of the full 4<italic>&#x3c0;</italic> angle surrounding the atom. There are, however, experimental platforms where this control is achieved to a good approximation. In particular a single ion trapped at the focus of a parabolic mirror [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>] is a feasible set-up for achieving nonlinear strong coupling between few photons associated to vectorial modes. It has already been shown that a single photon can induce an electric dipole transition with high-probability in this set-up due to the similarities between parabolic and spherical waves [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>]. Here, we study a three-wave mixing process based on ideal spherical vectorial modes [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>]. We consider tightly trapped atoms in the Lamb-Dicke regime where the spatial confinement approaches the typical transition wavelengths. Through this ideal scenario we identify the theoretical tools necessary to understand the nonlinear process in detail, and establish a route to perform theoretical and experimental realizations of nonlinear optics events with a minimum number of photons.</p>
<p>The manuscript is organized as follow. In <xref ref-type="sec" rid="s1">Section 1</xref> we introduce our model where a tightly trapped atom is coupled to a structured EM field. Emphasis is placed on the vectorial structure of the field and effects related to the spatial extent of the trap on the atom-light coupling. We show that the trap strength can alter the atomic multipole decay rates through a form factor. At the end of this Section we revisit spherical vectorial waves and their relevance for the system under study. <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref> concerns the connection between atomic transitions and nonlinear optics. We consider the specific example of an atom in a cascade configuration driven <italic>via</italic> an electric quadrupole transition by an incoming spherical wave. The nonlinear susceptibilities and collective responses of atomic systems are worked out for tightly trapped atoms. The mesoscopic densities of electric dipole and quadrupole polarization as sources of scattered photons are discussed. In <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref> we introduce a dyadic Green function formalism that can be used to overcome the theoretical challenges that rise for deeply focused modes, such as, non-applicability of the slowly varying envelope approximation and the identification of the phase matching conditions. We conclude in <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref> with a recapitulation of our results and the scope of our analyses.</p>
<sec id="s1">
<title>1 Electrodynamics Beyond the Electric Dipole Approximation</title>
<p>We consider an atomic gas coupled to a free electromagnetic field. The dynamics of this composite system are given by the Hamiltonian<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>atom</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>field</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>int</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m2">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>field</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> describes the free electromagnetic field, <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m3">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>atom</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> the center-of-mass and electronic state of the atomic gas in the absence of the EM field, and <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m4">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>int</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> links atom and field.</p>
<p>The gas is assumed to be tightly trapped and formed by atoms with three relevant electronic states &#x7c;<italic>s</italic>&#x27e9;(<italic>s</italic> &#x3d; <italic>a</italic>, <italic>b</italic>, <italic>c</italic>) in a cascade configuration sketched in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>. It is described by the Hamiltonian<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m5">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>atom</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>where the operator <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m6">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> acts over electronic states while &#x7c;&#x3a6;<sub>
<italic>A</italic>
</sub>&#x27e9;&#x27e8;&#x3a6;<sub>
<italic>A</italic>
</sub>&#x7c; acts over vibrational states that describe the atomic motion inside the trap; the parameters <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> and <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>A</italic>
</sub> refer to electronic and vibrational frequencies, respectively. These states are connected by the free EM field, whose evolution is described by<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m7">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>field</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m8">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> the annihilation operator for an EM mode of frequency <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>&#x3b3;</italic>
</sub>. The index <italic>&#x3b3;</italic> denotes a set of parameters that characterize the mode, e.g., in a plane wave <italic>&#x3b3;</italic> &#x3d; {<bold>k</bold>, <italic>&#x3f5;</italic>
<sub>
<bold>k</bold>,<italic>&#x3bb;</italic>
</sub>} refers to modes of wavevector <bold>k</bold> and polarization <italic>&#x3f5;</italic>
<sub>
<bold>k</bold>,<italic>&#x3bb;</italic>
</sub>. The evolution of the EM field is given by Maxwell equations for the electric <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and magnetic <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> field operators that, when expanded within a normal mode basis, read<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> A three-level atom mediates the interaction between different waves. It is considered to be excited <italic>via</italic> a quadrupole transition connecting levels &#x7c;<italic>a</italic>&#x27e9; and &#x7c;<italic>b</italic>&#x27e9; and decays through cascade dipole transitions along level &#x7c;<italic>c</italic>&#x27e9;. <bold>(B)</bold> Since the atomic system is trapped in a region comparable to the involved radiative wavelengths, vibrational motion effects must be included.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-896174-g001.tif"/>
</fig>
<p>It is convenient to write the mode amplitudes <bold>E</bold>
<sub>
<italic>&#x3b3;</italic>
</sub> inside a restricted Fourier space where the free-space dispersion relation &#x7c;<bold>k</bold>&#x7c;<sup>2</sup> &#x3d; <italic>&#x3c9;</italic>
<sup>2</sup>/<italic>c</italic>
<sup>2</sup> has been imposed. In this space the amplitudes are<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m13">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>with <italic>d</italic>&#x3a9;<sub>
<bold>k</bold>
</sub> a solid angle element and <bold>f</bold>
<sub>
<italic>&#x3b3;</italic>
</sub> the angular spectrum of the mode. <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Equation 6</xref> gives a direct connection between plane waves and general structured modes.</p>
<p>The interaction between atom and field supports a multipole description due to the small size of the atom as compared to the wavelengths involved in most radiative transitions [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>]. For extremely 3D-focused structured light, large gradients of the field amplitude and spatial-dependent polarization are found [<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>]. If the atom is trapped nearby the focus of the light mode it is necessary to move beyond the dipole approximation, done here through an interaction Hamiltonian<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m14">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>int</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>written in terms of the atomic electric dipole <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, magnetic dipole <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and electric quadrupole <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m17">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, operators. These operators act over the internal states of the atom with <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, refering, respectively, to the relative electronic position, orbital angular momentum, and spin angular momentum; while parameters <italic>e</italic>, <italic>m</italic>, and <italic>&#x3bc;</italic> refer to the electron charge, mass, and magnetic moment. The vibrational states are accounted for through the operator <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that denotes the atomic center-of-mass position where field operators are evaluated. Notice the double product of two range tensors defined as <bold>F</bold>: <bold>G</bold> &#x3d; <italic>&#x2211;</italic>
<sub>
<italic>i</italic>,<italic>j</italic>
</sub>
<bold>F</bold>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>
<bold>G</bold>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>.</p>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Equation 7</xref> illustrates how an atom probes an electromagnetic field by correlating its internal states to the state of the field. Through the electric and magnetic dipole moments it probes local field amplitudes and quadratures, through the quadrupole moment it gains information of spatial gradients of the field. By moving past the dipole moment it is possible to acquire a better landscape of the EM field. Furthermore, the theoretical tools used to describe this extended landscape resemble those commonly used under the dipole approximation. The similarity is made transparent by inserting <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eq. 4</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Eq. 7</xref> and applying the rotating-wave approximation, such that&#x2014;in a reference frame oscillating with <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m22">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>atom</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2014;the interaction Hamiltonian takes the form<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m23">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>int</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is evaluated in the rotating frame and the coupling strength contains electric dipole, magnetic dipole, and electric quadrupole contributions<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m25">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>ed</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>md</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>eq</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The contributions read explicitly as<disp-formula id="e10a">
<mml:math id="m26">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>ed</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(10a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e10b">
<mml:math id="m27">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>md</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(10b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e10c">
<mml:math id="m28">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>eq</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(10c)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Here, the matrix elements <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m29">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that connect two electronic states &#x7c;<italic>s</italic>&#x27e9; and &#x7c;<italic>s</italic>&#x2032;&#x27e9; are used.</p>
<p>From <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Eq. 7</xref> it is possible to obtain Rabi oscillations, decay rates, and radiative shifts caused by higher multipole terms following standard techniques used in quantum optics. There is, however, a difference that has to be emphasized. The coupling depends on the trapping strength through the operator <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which can induce transitions among vibrational states ruled by the matrix element<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>ed</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>plus two analogue terms for the magnetic dipole and electric quadrupole moments. With vibrational states defining the strength at which EM field an atom interact, a natural question is raised: Is it possible to alter the decay rate of an atom in an structured environment by changing the location and strength of the trap? While the effect of the location has been studied at length in the past, where tests of the Purcell enhancement factor depend on the location of an atom with respect to a boundary that alters the field distribution [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>], the effect of trap strength is less explored. We answer this question in the affirmative below, where we show that for localized environments the spontaneous decay rate can be reduced (enhanced) for weaker (tighter) traps. The change is attributed to the extension of the atomic trap, which leads to an average over regions where field intensity and gradient change.</p>
<sec id="s1-1">
<title>1.1 Spontaneous Emission of Tightly Trapped Atoms in Structured Environments</title>
<p>To describe the spontaneous emission of an atomic gas inside a structured environment, we consider the probability that an excited atom emits a photon into a free mode during a time interval <italic>&#x3c4;</italic>. From <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Eq. 8</xref> the probability for this process to occur, regardless of the final vibrational state, is given by the integral<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m32">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>thus posing frequency missmatch conditions on the modes the atom interacts most strongly with. In general these conditions depend on a vibrational shift <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>, but, when the electronic transition frequency is much larger than the relevant CM transition frequencies <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>ss</italic>&#x2032;</sub> &#x226b; <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>AB</italic>
</sub>, this shift can be neglected [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>]. By removing these shifts from the equation the states &#x7c;&#x3a6;<sub>
<italic>B</italic>
</sub>&#x27e9; can be averaged out using the completeness of the vibrational states, leading to<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m33">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2243;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m34">
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> a sharp spectral function that satisfies <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m35">
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as <italic>&#x3c4;</italic> &#x2192; <italic>&#x221e;</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>].</p>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 13</xref> should be read as a probability distribution that weights the decay process. The atom interacts with many modes of the environment such that the spontaneous decay rates is obtained from the sum<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m36">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>consistent with the Born and Markov approximations. By removing the correlations that build-up between field and atom we have made the Born approximation, and by extending the time integral without accounting for selfconsistent exchanges we have performed the Markov approximation. In this sense, the spread <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>ss</italic>
</sub> &#x2b; <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>AB</italic>
</sub> introduced by vibrational states has to be much smaller than the free mode density in order to be neglected. This is usually achieved in free space, and is a good approximation to half cavities where modes acquire a linewidth.</p>
<p>It is now possible to identify the decay rate of an atom inside an structured environment. The transition rates between electronic states incorporate information about the spatial region explored by the atom and the vectorial nature of the radiated field. By using the angular spectrum of the field defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eq. 6</xref> the spontaneous rates are found to be [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>].<disp-formula id="e15a">
<mml:math id="m37">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>ed</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>ed</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(15a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e15b">
<mml:math id="m38">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>md</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>md</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(15b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e15c">
<mml:math id="m39">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>eq</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>eq</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(15c)</label>
</disp-formula>where we have used square brackets [<bold>x</bold>]<sub>
<italic>&#x3c3;</italic>
</sub> to denote the <italic>&#x3c3;</italic> component of vectors and tensors and adopted the circular polarization basis {<bold>e</bold>
<sub>
<italic>&#x3c3;</italic>
</sub>} &#x3d; {<bold>e</bold>
<sub>&#xb1;</sub> &#x3d; <bold>e</bold>
<sub>
<italic>x</italic>
</sub> &#xb1; <italic>i</italic>
<bold>e</bold>
<sub>
<italic>y</italic>
</sub>, <bold>e</bold>
<sub>0</sub> &#x3d; <bold>e</bold>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub>}. The contribution of each mode becomes<disp-formula id="e16a">
<mml:math id="m40">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>ed</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x002C;</mml:mo>
</mml:math>
<label>(16a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e16b">
<mml:math id="m41">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>md</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x002C;</mml:mo>
</mml:math>
<label>(16b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e16c">
<mml:math id="m42">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>eq</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(16c)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The effect of the vibrational states for all multiple moments is given entirely by a form factor<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m43">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The form factor shows that the center-of-mass motion performs an average over the field distributions. The average depends on the atomic center of mass initial state. For an atom prepared in the ground state of an harmonic trap with angular frequency components &#x39b;<sub>
<italic>x</italic>,<italic>y</italic>,<italic>z</italic>
</sub> centered at the position <bold>X</bold>
<sub>0</sub>&#x2014;which does not need to coincide with the origin used to describe the EM field&#x2014;the form factor is<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m44">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x220f;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The average carries information on the trap through the Lamb-Dicke parameters <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m45">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> relating the ground-state size of the trap <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m46">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:math>
</inline-formula> to the wavelength of the electromagnetic mode <italic>&#x3bb;</italic>
<sub>
<italic>&#x3b3;</italic>
</sub>. In the Lamb-Dicke limit <italic>&#x3b7;</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub> &#x3c; 1, the atoms are confined below the photon wavelength and will not be heated by light scattering [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>]. Notice that even if <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>&#x3b3;</italic>
</sub> &#x226b;&#x39b;<sub>
<italic>i</italic>
</sub>, the condition is achieved for <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m47">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:math>
</inline-formula> taking into account the value of the atom rest energy <italic>Mc</italic>
<sup>2</sup>. The Lamb-Dicke regime has been achieved for trapped ions [<xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>] and neutral atoms [<xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>].</p>
<p>Through <xref ref-type="disp-formula" rid="e15a">Eqs 15a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e15b">15b</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e15c">15c</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e16a">16a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e16b">16b</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e16c">16c</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Eq. 17</xref> we have shown that decay rates depend on the EM mode density evaluated at the atomic resonance frequency and also on the average value determined by the vibrational states. The electromagnetic modes <italic>&#x3b3;</italic> that participate in <xref ref-type="disp-formula" rid="e15a">Eqs 15a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e15b">15b</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e15c">15c</xref> can be constrained by imposing physical boundaries, as done in experiments with optical cavities. Then, the enhancement [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>] or inhibition [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>] of the spontaneous emission rate depends on the electromagnetic structure of the environment and the location and trapping strength of the atom. Notice that this control is expected not only for electric dipole transitions, but for any multipole transition as we have just illustrated for electric quadrupole and magnetic dipole cases.</p>
<p>It is worth mentioning that for atoms in free-space the EM field is homogeneous and the dipolar and quadrupolar spontaneous emission decay rates are<disp-formula id="e19a">
<mml:math id="m48">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>ed</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(19a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e19b">
<mml:math id="m49">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>md</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(19b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e19c">
<mml:math id="m50">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>eq</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(19c)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This can be shown by evaluating the <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m51">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mult</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> integrals with angular spectrum<disp-formula id="equ1">
<mml:math id="m52">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>free</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</disp-formula>for each polarization, and using the completeness relation of polarizations <italic>&#x3f5;</italic>
<sub>
<bold>k</bold>,<italic>&#x3bb;</italic>
</sub> and wavevectors <bold>k</bold>. For a systematic approach beyond the quadrupolar interaction, however, it is more convenient to use the spherical modes.</p>
</sec>
<sec id="s1-2">
<title>1.2 Spherical Vector Waves: Atomic Radiation Patterns</title>
<p>The structure of the radiated field incorporates the atomic symmetries that arise from the central field model. In the mean field scheme, individual radiative electronic transitions involve a single electron that changes its orbital and yields a non-null electromagnetic multipole for the atom as a whole. An EM multipole transition of an atom can be either described as the emission or absorption of a <italic>single</italic> photon in an appropriate spherical vectorial mode, or as divided along multiple photon channels with wavevectors <bold>k</bold> and specific angular distribution probabilities. Spherical vectorial modes then lead to a more efficient transfer than their wavevector counterparts.</p>
<p>This efficient transfer is already suggested by the form of the spherical vectorial modes. In free space a monochromatic spherical wave of frequency <italic>&#x3c9;</italic> and amplitude <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m53">
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> has an angular spectrum<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m54">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The spectrum describes the coupling of orbital and polarization angular momenta of photons to yield a total angular momentum {<italic>jm</italic>} as described by the functions <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m55">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> where <italic>P</italic> &#x3d; <italic>E</italic>, <italic>M</italic> refers to either transverse magnetic or transverse electric waves. These functions are written explicitly in the <xref ref-type="sec" rid="s10">Supplementary Appendix SAI</xref> in terms of standard spherical harmonic functions <italic>Y</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;m</italic>
</sub>(<italic>&#x3b8;</italic>, <italic>&#x3c6;</italic>)&#x2014;that account for the orbital angular momentum&#x2014;and spherical polarizations <bold>e</bold>
<sub>&#xb1;</sub> &#x3d; <bold>e</bold>
<sub>
<italic>x</italic>
</sub> &#xb1; <italic>i</italic>
<bold>e</bold>
<sub>
<italic>y</italic>
</sub>, <bold>e</bold>
<sub>0</sub> &#x3d; <bold>e</bold>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub>. Spherical vectorial modes are then characterized by the parameters <italic>&#x3b3;</italic>: {<italic>&#x3c9;</italic>/<italic>c</italic> &#x3d; <italic>k</italic>, <italic>j</italic>, <italic>m</italic>, <italic>P</italic>} that can be compared to the electronic degrees-of-freedom involved during a transition. In particular to the atomic angular momentum that includes both orbital and spin contributions of the electronic configurations and the angular momentum of the nucleus. Note that the electronic and electromagnetic fields should be described in the same reference frame. In particular, the same quantization <italic>z</italic>-axis, which is either arbitrarily selected or predetermined by anisotropic environments. The latter can be, e.g., external electric and magnetic fields selected to manipulate the internal or external degrees of the atom, or they could refer to the geometry of cavities designed to control the classical or quantum features of the electromagnetic field.</p>
<p>The radiative transitions that connect two-atomic states are ruled by strict conservation laws for energy, linear momentum, and angular momentum of the atom-radiation system as a whole. These conservation laws are naturally satisfied by spherical modes where electric and magnetic multipole transitions involve a <italic>single</italic> <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m56">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m57">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> photon [<xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>]. As such, they can be used to connect the atomic internal state to the most probable decay processes and the specific EM modes involved. For example, the spatial pattern of magnetic spherical waves <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m58">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is obtained from <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eq. 6</xref> as<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m59">
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>with j<sub>
<italic>j</italic>
</sub>(<italic>kr</italic>) the spherical Bessel functions with <italic>k</italic> &#x3d; <italic>&#x3c9;</italic>/<italic>c</italic> and the position <bold>r</bold> &#x3d; {<italic>r</italic>, <italic>&#x3b8;</italic>, <italic>&#x3d5;</italic>}. This form was used to obtain the radiative decay of Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e19a">19a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19b">19b</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19c">19c</xref>, but, by portraying the wave as a single vectorial mode, there is no need to account for the contribution of each wavevector and polarization. Similar descriptions are found for the spherical electric modes. Relevant, well-known mathematical properties of spherical vectorial modes are summarized in <xref ref-type="sec" rid="s10">Supplementary Appendix SAI</xref> including a connection to vectorial plane waves. We show explicitly the simple structure of the modes in <bold>k</bold>-space that is used to define a scalar product from which the EM field can be quantized. These properties emphasize that the mode structure results from the direct coupling of orbital and polarization angular momenta of the field.</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F2">Figures 2</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="F4">4</xref> are used to illustrate the rich spatial patterns of vectorial modes. In an effort to show the symmetries involved, isointensity surfaces are drawn for each polarization <bold>e</bold>
<sub>&#xb1;,0</sub>, and for the total intensity of the spherical waves. As anticipated in the Introduction, the polarization and configuration structure in this subwavelength region is complex. High gradients of the intensity and vortices along a dislocation line for certain polarizations can be found as shown by the phase structure in the <italic>XY</italic> plane.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Isosurfaces of an electric dipole <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m60">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> spherical wave at 40% of the intensity divided into: <bold>(A)</bold> total intensity; <bold>(B)</bold> <italic>&#x3c3;</italic>
<sub>&#x2212;</sub> polarization component; <bold>(C)</bold> <italic>&#x3c0;</italic> polarization component; and <bold>(D)</bold> <italic>&#x3c3;</italic>
<sub>&#x2b;</sub> componentsof the polarization. In <bold>(E&#x2013;G)</bold> the phase distributions at the <italic>z</italic> &#x3d; 0 plane are plotted for different polarization components.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-896174-g002.tif"/>
</fig>
<p>We begin with <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> where each polarization component of the electric dipole spherical wave is described by a combination of spherical functions <italic>Y</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;m</italic>
</sub> with <italic>&#x2113;</italic> &#x3d; 0 and 2, as we now discuss. <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> shows the <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m63">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> spherical wave. The <italic>&#x3c3;</italic>
<sub>&#x2b;</sub> polarization component is a combination of both <italic>Y</italic>
<sub>20</sub> and <italic>Y</italic>
<sub>00</sub>, the latter being independent of <italic>&#x3b8;</italic> and <italic>&#x3c6;</italic> and not null at <italic>r</italic> &#x3d; 0. Neither <italic>Y</italic>
<sub>20</sub> nor <italic>Y</italic>
<sub>00</sub> components exhibit orbital vortices. For comparison, the <italic>&#x3c3;</italic>
<sub>&#x2212;</sub> component is proportional <italic>Y</italic>
<sub>22</sub> and displays an optical vortex with topological charge 2 along the <italic>Z</italic>-axis. The <italic>&#x3c0;</italic> component is proportional to <italic>Y</italic>
<sub>21</sub> with a unit topological charge vortex. Consider next the quadrupole electric spherical wave <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m64">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>. An analogous description follows but through a combination of <italic>Y</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;m</italic>
</sub> functions with <italic>&#x2113;</italic> &#x3d; 1 and 3. This implies an odd behavior for quadrupole waves in contrast to the even behavior of dipole electric waves with respect to the parity transformation. Finally, <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> illustrates a <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m65">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> spherical wave. In general, each circular polarization <italic>&#x3c3;</italic>
<sub>&#xb1;</sub>(<italic>&#x3c0;</italic>) component of <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m66">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is proportional to the <italic>Y</italic>
<sub>
<italic>jm</italic>&#x2213;1</sub>(<italic>Y</italic>
<sub>
<italic>jm</italic>
</sub>) spherical harmonic. The parity of magnetic spherical modes is even (odd) for even (odd) values of <italic>j</italic>.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Isosurfaces of an electric quadrupole <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m61">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> spherical wave at 40% of the intensity divided into: <bold>(A)</bold> total intensity; <bold>(B)</bold> <italic>&#x3c3;</italic>
<sub>&#x2212;</sub> polarization component; <bold>(C)</bold> <italic>&#x3c0;</italic> polarization component; and <bold>(D)</bold> <italic>&#x3c3;</italic>
<sub>&#x2b;</sub> components of the polarization. In <bold>(E&#x2013;G)</bold> the phase distributions at the <italic>z</italic> &#x3d; 0 plane are plotted for different polarization components.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-896174-g003.tif"/>
</fig>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Isosurfaces of an magnetic dipole <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m62">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> spherical wave at 40% of the intensity divided into: <bold>(A)</bold> total intensity; <bold>(B)</bold> <italic>&#x3c3;</italic>
<sub>&#x2212;</sub> polarization component; <bold>(C)</bold> <italic>&#x3c0;</italic> polarization component; and <bold>(D)</bold> <italic>&#x3c3;</italic>
<sub>&#x2b;</sub> components of the polarization. In <bold>(E)</bold>&#x2013;<bold>(G)</bold> the phase distributions at the <italic>z</italic> &#x3d; 0 plane are plotted for different polarization components.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-896174-g004.tif"/>
</fig>
<p>The results are to be compared with standard paraxial optics. For paraxial optics, light polarization is approximately a global concept. There is a main direction of propagation and the polarization vectors are approximately perpendicular to it. This facilitates the identification of processes where only either <italic>&#x3c3;</italic>
<sub>&#x2b;</sub>, <italic>&#x3c3;</italic>
<sub>&#x2212;</sub> or <italic>&#x3c0;</italic> transitions occur; <italic>&#x3c0;</italic>-transitions require a main direction of propagation perpendicular to a quantization-axis defined by the environment as mentioned in the beginning of this Subsection. For each type of transition the atomic internal states experience a change of the internal magnetic number &#x394;<italic>m</italic> &#x3d; 1, &#x2212;1, 0 respectively. If a realization of a few atomic levels model is desired, a search of an atomic- EM field configuration is performed to maximize the relevance of predetermined internal atomic sublevels that participate in the nonlinear optical process.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Three-Wave Mixing Induced by a Forbidden Transition</title>
<p>Having described how light can be tailored to induce particular transitions with high probability, we now move to the nonlinear response of an atomic gas. For this we are going to consider the case drawn in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> where a three-level atomic gas is driven by a structured EM mode. States &#x7c;<italic>a</italic>&#x27e9; and &#x7c;<italic>b</italic>&#x27e9; are connected through two paths: one <italic>via</italic> a quadrupole transition with moment <bold>q</bold>
<sub>
<italic>ab</italic>
</sub>; and the other <italic>via</italic> two electric dipole transitions through an intermediate level &#x7c;<italic>c</italic>&#x27e9; with moments <bold>d</bold>
<sub>
<italic>ac</italic>
</sub> and <bold>d</bold>
<sub>
<italic>bc</italic>
</sub>. All other moments are considered negligible. The incident mode <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m67">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> is tailored to display a large spatial gradient, it presents the adequate polarization to connect <italic>a</italic> and <italic>b</italic> states, and is slightly detuned from the quadrupole transition. It provides the conditions for modes <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m68">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m69">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> to become populated as the atom descends down the dipole ladder, thus describing a three-wave mixing process. Most studies in the literature do not consider the possibility of the quadrupole transition and focus only on the two-photon electric dipole processes associated to the ladder configuration of a three level atom-EM field system [<xref ref-type="bibr" rid="B38">38</xref>]. Nevertheless, those studies illustrate a plethora of interesting phenomena whose analogs and extensions when three-wave mixing is allowed deserve further analyses.</p>
<p>Three-wave mixing relies on the coherent scattering from mode <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m70">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> to modes <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m71">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m72">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. To account for this scattering we divide the total Hamiltonian of <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eq. 1</xref> as<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>atom</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>field</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>int</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>where we separated the three EM modes <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m74">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> from other environment modes accounted for in the primed terms. The evolution of the mode operators<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m75">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>naturally divides into free and scattered components. The electromagnetic <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> field operators are then obtained by solving the self-consistent equations for field and atom operators and performing a sum over all the modes (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eq. 4</xref> above). Equivalently, we could define atomic polarizabilities and obtain the evolution of the field from Maxwell equations. To do so we consider first a density matrix for the atomic state<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m78">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tw</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CM</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>where <italic>&#x3c1;</italic>
<sup>CM</sup> describes the vibrational motion of the atom and <italic>&#x3c1;</italic> describes its electronic state. This form requires that center of mass and internal states are not correlated at an initial time, and remain so throughout the nonlinear process. This condition could be valid in the Lamb-Dicke regime. From <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eqs 23</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">24</xref> dipole and quadrupole moment densities <bold>P</bold> and <bold>Q</bold> of the three-level atomic gas can be defined as<disp-formula id="e25a">
<mml:math id="m79">
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(25a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e25b">
<mml:math id="m80">
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(25b)</label>
</disp-formula>where the total number of trapped atoms <italic>N</italic> is first introduced.</p>
<p>Non-linearities enter the picture through the internal state of the atom. They result from the participation of photons inside <italic>&#x3b3;</italic> modes at different orders in the coupling strength <italic>&#x3ba;</italic>
<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m81">
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The series converges for <italic>&#x3ba;</italic> lower than the detunings &#x394; and decay rates &#x393;<sup>(mult)</sup>. Three-wave mixing appears at second order in the series, the details are described in the <xref ref-type="sec" rid="s10">Supplementary Appendix SAII</xref> following a semiclassical approach equivalent to an adiabatic elimination of the atomic variables in the fully quantum regime [<xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>]. The final expression for the atomic polarization at a position <bold>X</bold> is<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>where the leading terms are shown to be<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m83">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mtext>eq</mml:mtext>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m84">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mtext>eq</mml:mtext>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mtext>ed</mml:mtext>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mtext>eq</mml:mtext>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mtext>ed</mml:mtext>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Meanwhile, the quadrupole densities oscillate as<disp-formula id="e30">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mtext>eq</mml:mtext>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mtext>ed</mml:mtext>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Once the electronic states are adiabatically eliminated, the field evolution of <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eq. 23</xref> is equivalent to an effective Hamiltonian density of the atomic gas interacting with the EM field<disp-formula id="e31">
<mml:math id="m86">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Here, the summation is performed over free modes <italic>&#x3b3;</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub> whose frequency <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub> close to the transition frequency <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>ss</italic>&#x2032;</sub> and their polarization and angular momentum <italic>j</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub>
<italic>m</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub> are adequate to induce the atomic transition with the corresponding multipole moment. That is, rapidly oscillating terms derived from far from resonance conditions or an spatial configuration out of the expected spherical vector mode one have been discarded.</p>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Multipole Densities as Sources of Radiation</title>
<p>Having revisited the connection between electronic processes and nonlinear optical processes, we can now exploit the connection to Maxwell equations. For localized sources which admit an efficient multipole expansion, the radiated field operator <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is known to satisfy the equation [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B40">40</xref>]<disp-formula id="e32">
<mml:math id="m88">
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>where the sources<disp-formula id="e33">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mtext>ed</mml:mtext>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mtext>eq</mml:mtext>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>divide into electric dipole <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m90">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mtext>ed</mml:mtext>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and quadrupole <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m91">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mtext>eq</mml:mtext>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> operators that satisfy<disp-formula id="e34">
<mml:math id="m92">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mtext>ed</mml:mtext>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mtext>eq</mml:mtext>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>It is possible to extend the formalism to include magnetic dipole transitions through a magnetization term<disp-formula id="e35">
<mml:math id="m93">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(35)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In our case, <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">Eq. 32</xref> stems from the interaction Hamiltonian beyond the dipole approximation written in <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Eq. 7</xref> and the decomposition of the electric fields [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]. The form of the interaction led naturally to the vectorial spherical waves associated to each atomic radiative transition and then to source terms of this form. The particular atomic evolution follows from a master equation evolution (as defined in <xref ref-type="sec" rid="s10">Supplementary Appendix SAII</xref>), but the form is universal.</p>
<p>Note that radiation can also be generated by so-called &#x201c;free&#x201d; sources. An example is radiation scattered by structureless ideal charges such as electrons, i.e., the Compton effect, which has frequently been described using a plane wave expansion of the quantized EM field [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>]. Recent theoretical studies concern the Compton effect with photons associated to structured beams [<xref ref-type="bibr" rid="B41">41</xref>], and the implementation of the inverse Compton effect for twisted electron beams is an active area of research [<xref ref-type="bibr" rid="B42">42</xref>].</p>
<p>For the three-wave mixing process considered here, the induced moments oscillate at frequencies <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>1</sub>, <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>2</sub> and <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>3</sub>. As such, the evolution of the field amplitudes can be decomposed into a Fourier series that leads to<disp-formula id="e36a">
<mml:math id="m94">
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(36a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e36b">
<mml:math id="m95">
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2,3</mml:mn>
</mml:math>
<label>(36b)</label>
</disp-formula>whenever the temporal phase matching condition is imposed <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>1</sub> &#x3d; <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>2</sub> &#x2b; <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>3</sub>. From them, conditions yielding a high efficiency of parametric processes based on atomic coherence can be obtained [<xref ref-type="bibr" rid="B43">43</xref>]. Note that the full quantum treatment implicit in <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">Eq. 32</xref> allows to study correlations of the quadrature equations of the EM modes, including squeezing conditions [<xref ref-type="bibr" rid="B44">44</xref>].</p>
<p>Most implementations of nonlinear optics processes consider input paraxial beams driving the atomic gas. The set of paraxial modes <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> neither matches the atomic symmetry nor provides any guarantee of an adequate description of the EM field in the radiation zone [<xref ref-type="bibr" rid="B45">45</xref>]. Within the paraxial regime, the theoretical description of the classical and quantum properties of light is incorporated using the slowly varying amplitude approximation [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>]. It states that the relative change in the amplitude per wavelength is small and there is a main direction of propagation <italic>z</italic> of the light fields so that the dominant spatial variation of the amplitude can be approximated by <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>. This is not valid when the electromagnetic beams are focused, but, as we now show, the vectorial waves provide a form to describe the evolution.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Dyadic Green Functions</title>
<p>Schwinger [<xref ref-type="bibr" rid="B46">46</xref>] introduced an elegant formalism to evaluate the response function between the electromagnetic field and a polarization source using the Green function dyadic. As Maxwell equation, <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">Eq. 32</xref>, can be worked out using this formalism for generalized multipole sources we now revisit this formalism.</p>
<p>The Green dyadic <bold>&#x393;</bold> is a tensor with <italic>r</italic>, <italic>s</italic> components<disp-formula id="e37">
<mml:math id="m98">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(37)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> a time ordering operator that, in field theory applications, leads to Feynman symmetric order; and, in optical studies, is chosen to guarantee the retarded scheme. By being written in normal order it also provides a natural connection to photon detection theory and real time monitoring of the emitted field. This tensor is responsible of the propagation of fields. It then allows us to write the free and scattered fields discussed above as<disp-formula id="e38a">
<mml:math id="m100">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>free</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>scatt</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(38a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e38b">
<mml:math id="m101">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>scatt</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(38b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Where the free field <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m102">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>free</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> is, by construction, the adequate quantum field solution of the Maxwell equations with no sources, and may include the incident EM field. And the scattered EM field <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m103">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> is created by the atomic multipole densities.</p>
<p>For a retarded scheme and a vectorial spherical expansion of the electric field operators in free space, the tensor is decomposed as<disp-formula id="equ2">
<mml:math id="m104">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="e39">
<mml:math id="m105">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(39)</label>
</disp-formula>with <italic>j</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub> and <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m106">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> the spherical Bessel functions.</p>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Spatial Phase Matching Conditions</title>
<p>We can now use this formalism to describe the phase matching conditions that rule the underlying nonlinear processes. For plane waves phase matching conditions establish the relations between the wave vectors of the involved EM modes that guarantee the highest efficiency of an optical nonlinear process. In the quantum realm, these equations are interpreted as the conservation of linear momentum of the participating photons. For a homogeneous atomic gas, the three-wave mixing phase matching conditions are<disp-formula id="e40">
<mml:math id="m107">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(40)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>For beams exhibiting a common dislocation line&#x2014;and correspondingly a non-trivial local orbital momentum along that line&#x2014;the phase matching conditions correlate the topological charge of the vortices so that the angular momentum of the photons is conserved [<xref ref-type="bibr" rid="B47">47</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B48">48</xref>]. For an isotropic atomic sample and for modes exhibiting optical vortices of topological charge <italic>m</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub> along a common axes, for our process<disp-formula id="e41">
<mml:math id="m108">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(41)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In this Section we show how they naturally emerge from the dyadic treatment of the scattered field. To that end it is just necessary the integrate the Maxwell Equation <xref ref-type="disp-formula" rid="e38a">Eqs 38a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e38b">38b</xref> over the spatial variables of the localized source<disp-formula id="e42">
<mml:math id="m109">
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(42)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>If the 3D sample is in an isotropic trap, the angular integration acquires an analytic expression (some formulae useful for the calculation of the spatial derivatives of the spherical waves can be found in the <xref ref-type="sec" rid="s10">Supplementary Appendix SAI</xref>). The integrals are, in general, a linear combination of the Wigner 3-j symbols<disp-formula id="equ3">
<mml:math id="m110">
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="e43">
<mml:math id="m111">
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(43)</label>
</disp-formula>available in most numerical platforms. The phase matching conditions result from the identification of non-null Wigner 3-j symbols,<disp-formula id="equ4">
<mml:math id="m112">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>These phase matching conditions can be interpreted as a conservation of the total angular momentum and not just its z-component for the photons involved in the three-wave mixing process.</p>
<sec id="s3-1-1">
<title>3.1.1 Scattered Field</title>
<p>Since just a constrained set of <italic>&#x3b3;</italic>
<sub>
<italic>pm</italic>
</sub> modes satifies the phase matching conditions, the scattered field is given by<disp-formula id="e44a">
<mml:math id="m113">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(44a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e44b">
<mml:math id="m114">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
<label>(44b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e44c">
<mml:math id="m115">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(44c)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>An advantage of working with spherical vectorial modes is that any set of three modes <italic>&#x3b3;</italic>
<sub>
<italic>ab</italic>
</sub>, <italic>&#x3b3;</italic>
<sub>
<italic>bc</italic>
</sub> and <italic>&#x3b3;</italic>
<sub>
<italic>ca</italic>
</sub> with <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>1</sub> &#x3d; <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>2</sub> &#x2b; <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>3</sub> must be considered as usual, but the phase angular matching conditions select a discrete set of few modes specified by the polarization <italic>P</italic> and the <italic>j</italic>
<sub>
<italic>ss</italic>&#x2032;</sub> and <italic>m</italic>
<sub>
<italic>ss</italic>&#x2032;</sub> values that satisfy the angular phase matching conditions. This is a basic difference with standard studies where the spatial phase matching is satisfied by a continuous set of spatial modes.</p>
<p>Once few of these modes are identified one could now apply, e.g., the semiclassical approximation or other standard techniques [<xref ref-type="bibr" rid="B49">49</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B51">51</xref>] to work out the behavior of the quantum quadratures of the field and their correlation to the atomic degrees of freedom. The modes, of course, depend on the experimental conditions.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Discussion</title>
<p>We have presented a description of three-wave mixing inside an atomic cloud. We began by showing how this process could be efficiently induced by properly shaping the light field and then moved to the description of the free and scattered field that are ultimately measured in an experiment. For this, we went beyond the dipole approximation and showed that the system is naturally described by multipole spherical waves. Multipole spherical waves yield the optimal description of the basic radiative atomic processes. As such, they are paradigmatic structured light fields. Yet, their use in the description of nonlinear systems is scarse. The reason is that most implementations of nonlinear processes employ laser beams and assume a paraxial regime. Nowadays technological developments go in a different direction. Optimal coupling to minimize energy costs in, e.g., quantum information protocols require the realization of nonlinear processes triggered by single photons [<xref ref-type="bibr" rid="B52">52</xref>]. A natural scheme to achieve such a coupling is by trapping atoms nearby the focus of spherical vectorial waves.</p>
<p>The main task in this work was to emphasize both the effects of trapping on the radiative responses of an atom and present a way to surmount the difficulties that arise. These included moving beyond dipolar approximation, and the breakdown of commonly used approximations as the slowly varying envelope one. We showed how the dyadic Green function formalism is easily implemented and allows for the identification of a discrete set of modes that would participate in the nonlinear process once the relevant atomic states are identified.</p>
<p>The calculations were described by a paradigmatic process that can now be reached in experiments with atomic gases: three-wave mixing. Notice, however, that the general concepts introduced in our work can be extended to any nonlinear process. In addition the dyadic formalism can be directly applied for other symmetries; yielding a direct route for the identication of the phase matching condition. While standard techniques were developed with dipolar transitions and plane waves in mind, the extension to structured light can be readily done with the appropriate basis in mind.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s5">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/<bold>Supplementary Material</bold>, further inquiries can be directed to the corresponding authors.</p>
</sec>
<sec id="s6">
<title>Author Contributions</title>
<p>RG-J and RJ contributed with conceptual ideas, methodology strategies and writing of the manuscript.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Funding</title>
<p>This work was partially supported by PAPIIT-DGAPA-UNAM IN-103020. RG-J acknowledges financial support by the National Science Foundation QII-TAQS (Award No. 1936359).</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s8">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s9">
<title>Publisher&#x2019;s Note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<sec id="s10">
<title>Supplementary Material</title>
<p>The Supplementary Material for this article can be found online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphy.2022.896174/full#supplementary-material">https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphy.2022.896174/full&#x23;supplementary-material</ext-link>
</p>
<supplementary-material xlink:href="DataSheet1.zip" id="SM1" mimetype="application/zip" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Armstrong</surname>
<given-names>JA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bloembergen</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ducuing</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pershan</surname>
<given-names>PS</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Interactions Between Light Waves in a Nonlinear Dielectric</article-title>. <source>Phys Rev</source> (<year>1962</year>) <volume>127</volume>:<fpage>1918</fpage>&#x2013;<lpage>39</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrev.127.1918</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physrev.127.1918">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Interactions+Between+Light+Waves+in+a+Nonlinear+Dielectric&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rubinsztein-Dunlop</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Forbes</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Berry</surname>
<given-names>MV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dennis</surname>
<given-names>MR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Andrews</surname>
<given-names>DL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mansuripur</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Roadmap on Structured Light</article-title>. <source>J Opt</source> (<year>2016</year>) <volume>19</volume>:<fpage>013001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/2040-8978/19/1/013001</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1088/2040-8978/19/1/013001">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Roadmap+on+Structured+Light&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Monroe</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Campbell</surname>
<given-names>WC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Duan</surname>
<given-names>LM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gong</surname>
<given-names>ZX</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gorshkov</surname>
<given-names>AV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hess</surname>
<given-names>PW</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Programmable Quantum Simulations of Spin Systems with Trapped Ions</article-title>. <source>Rev Mod Phys</source> (<year>2021</year>) <volume>93</volume>:<fpage>025001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/revmodphys.93.025001</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/revmodphys.93.025001">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Programmable+Quantum+Simulations+of+Spin+Systems+with+Trapped+Ions&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Navon</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Smith</surname>
<given-names>RP</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hadzibabic</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Gases in Optical Boxes</article-title>. <source>Nat Phys</source> (<year>2021</year>) <volume>17</volume>:<fpage>1334</fpage>&#x2013;<lpage>41</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41567-021-01403-z</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1038/s41567-021-01403-z">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Quantum+Gases+in+Optical+Boxes&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bi&#xe9;mont</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zeippen</surname>
<given-names>CJ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Probabilities for Forbidden Transitions in Atoms and Ions: 1989-1995. A Commented Bibliography</article-title>. <source>Phys Scr</source> (<year>1996</year>) <volume>T65</volume>:<fpage>192</fpage>&#x2013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0031-8949/1996/t65/029</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1088/0031-8949/1996/t65/029">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Probabilities+for+Forbidden+Transitions+in+Atoms+and+Ions:+1989-1995.+A+Commented+Bibliography&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fry</surname>
<given-names>ES</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Two-Photon Correlations in Atomic Transitions</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>1973</year>) <volume>8</volume>:<fpage>1219</fpage>&#x2013;<lpage>32</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.8.1219</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physreva.8.1219">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Two-Photon+Correlations+in+Atomic+Transitions&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Aspect</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grangier</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Roger</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Experimental Realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm <italic>Gedankenexperiment</italic>: A New Violation of Bell&#x27;s Inequalities</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>1982</year>) <volume>49</volume>:<fpage>91</fpage>&#x2013;<lpage>4</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.49.91</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physrevlett.49.91">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Experimental+Realization+of+Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm+Gedankenexperiment:+A+New+Violation+of+Bell&#x27;s+Inequalities&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>D&#x2019;Angelo</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chekhova</surname>
<given-names>MV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shih</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Two-Photon Diffraction and Quantum Lithography</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2001</year>) <volume>87</volume>:<fpage>013602</fpage>. <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11461466/">PubMed Abstract</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Two-Photon+Diffraction+and+Quantum+Lithography&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nasr</surname>
<given-names>MB</given-names>
</name>
<name>
<surname>Saleh</surname>
<given-names>BE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sergienko</surname>
<given-names>AV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Teich</surname>
<given-names>MC</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Demonstration of Dispersion-Canceled Quantum-Optical Coherence Tomography</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2003</year>) <volume>91</volume>:<fpage>083601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.91.083601</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/14525237/">PubMed Abstract</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.91.083601">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Demonstration+of+Dispersion-Canceled+Quantum-Optical+Coherence+Tomography&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gisin</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ribordy</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tittel</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zbinden</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Cryptography</article-title>. <source>Rev Mod Phys</source> (<year>2002</year>) <volume>74</volume>:<fpage>145</fpage>&#x2013;<lpage>95</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/revmodphys.74.145</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/revmodphys.74.145">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Quantum+Cryptography&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pittman</surname>
<given-names>TB</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shih</surname>
<given-names>YH</given-names>
</name>
<name>
<surname>Strekalov</surname>
<given-names>DV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sergienko</surname>
<given-names>AV</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Optical Imaging by Means of Two-Photon Quantum Entanglement</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>1995</year>) <volume>52</volume>:<fpage>R3429</fpage>&#x2013;<lpage>R3432</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.52.r3429</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9912767/">PubMed Abstract</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physreva.52.r3429">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Optical+Imaging+by+Means+of+Two-Photon+Quantum+Entanglement&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pepe</surname>
<given-names>FV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Di Lena</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mazzilli</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Edrei</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Garuccio</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Scarcelli</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Diffraction-Limited Plenoptic Imaging with Correlated Light</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2017</year>) <volume>119</volume>:<fpage>243602</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.119.243602</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29286709/">PubMed Abstract</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physrevlett.119.243602">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Diffraction-Limited+Plenoptic+Imaging+with+Correlated+Light&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Agarwal</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Nonlinear Fiber Optics</source>. <edition>5th ed.</edition> <publisher-loc>Cambridge, MA, USA</publisher-loc>: <publisher-name>Academic Press</publisher-name> (<year>2012</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Nonlinear+Fiber+Optics&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zipfel</surname>
<given-names>WR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Williams</surname>
<given-names>RM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Webb</surname>
<given-names>WW</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Nonlinear Magic: Multiphoton Microscopy in the Biosciences</article-title>. <source>Nat Biotechnol</source> (<year>2003</year>) <volume>21</volume>:<fpage>1369</fpage>&#x2013;<lpage>77</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nbt899</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/14595365/">PubMed Abstract</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1038/nbt899">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Nonlinear+Magic:+Multiphoton+Microscopy+in+the+Biosciences&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hell</surname>
<given-names>SW</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Toward Fluorescence Nanoscopy</article-title>. <source>Nat Biotechnol</source> (<year>2003</year>) <volume>21</volume>:<fpage>1347</fpage>&#x2013;<lpage>55</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nbt895</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/14595362/">PubMed Abstract</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1038/nbt895">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Toward+Fluorescence+Nanoscopy&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Weber</surname>
<given-names>K-H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sansonetti</surname>
<given-names>CJ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Accurate Energies of <italic>nS, nP, nD, nF,</italic> and <italic>nG</italic> levels of Neutral Cesium</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>1987</year>) <volume>35</volume>:<fpage>4650</fpage>&#x2013;<lpage>60</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.35.4650</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9898072/">PubMed Abstract</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physreva.35.4650">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Accurate+Energies+of+nS,+nP,+nD,+nF,+and+nG+levels+of+Neutral+Cesium&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Vadla</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horvatic</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Niemax</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Oscillator Strength of the Strongly &#x201C;forbidden&#x201D; Pb 6 P<sup>2 3</sup>P<sub>0</sub>&#x21a6;6 P<sup>2 3</sup>P<sub>1</sub> Transition at 1278.9 Nm</article-title>. <source>Eur Phys J D</source> (<year>2001</year>) <volume>14</volume>:<fpage>23</fpage>&#x2013;<lpage>5</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s100530170229</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/s100530170229">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Oscillator+Strength+of+the+Strongly+forbidden+Pb+6+P2+3P0&#x21a6;6+P2+3P1+Transition+at+1278.9+Nm&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ponciano-Ojeda</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hern&#xe1;ndez-G&#xf3;mez</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>L&#xf3;pez-Hern&#xe1;ndez</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mojica-Casique</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Col&#xed;n-Rodr&#xed;guez</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ram&#xed;rez-Mart&#xed;nez</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Observation of the 5P<sub>3/2</sub> &#x2192; 6P<sub>3/2</sub> Electric-Dipole-Forbidden Transition in Atomic Rubidium Using Optical-Optical Double-Resonance Spectroscopy</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2015</year>) <volume>92</volume>:<fpage>042511</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.92.042511</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physreva.92.042511">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Observation+of+the+5P3/2+&#x2192;+6P3/2+Electric-Dipole-Forbidden+Transition+in+Atomic+Rubidium+Using+Optical-Optical+Double-Resonance+Spectroscopy&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>J&#xe1;uregui</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Rotational Effects of Twisted Light on Atoms Beyond the Paraxial Approximation</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2004</year>) <volume>70</volume>:<fpage>033415</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.70.033415</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physreva.70.033415">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Rotational+Effects+of+Twisted+Light+on+Atoms+Beyond+the+Paraxial+Approximation&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schmiegelow</surname>
<given-names>CT</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schulz</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kaufmann</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ruster</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Poschinger</surname>
<given-names>UG</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schmidt-Kaler</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Transfer of Optical Orbital Angular Momentum to a Bound Electron</article-title>. <source>Nat Commun</source> (<year>2016</year>) <volume>7</volume>:<fpage>12998</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/ncomms12998</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27694805/">PubMed Abstract</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1038/ncomms12998">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Transfer+of+Optical+Orbital+Angular+Momentum+to+a+Bound+Electron&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tojo</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hasuo</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fujimoto</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Absorption Enhancement of an Electric Quadrupole Transition of Cesium Atoms in an Evanescent Field</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2004</year>) <volume>92</volume>:<fpage>053001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.92.053001</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/14995302/">PubMed Abstract</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.053001">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Absorption+Enhancement+of+an+Electric+Quadrupole+Transition+of+Cesium+Atoms+in+an+Evanescent+Field&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ray</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gupta</surname>
<given-names>RK</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gokhroo</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Everett</surname>
<given-names>JL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nieddu</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rajasree</surname>
<given-names>KS</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Observation of the 87Rb 5S1/2 to 4D3/2 Electric Quadrupole Transition at 516.6 Nm Mediated via an Optical Nanofibre</article-title>. <source>New J Phys</source> (<year>2020</year>) <volume>22</volume>:<fpage>062001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/ab8265</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab8265">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Observation+of+the+87Rb+5S1/2+to+4D3/2+Electric+Quadrupole+Transition+at+516.6+Nm+Mediated+via+an+Optical+Nanofibre&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Alber</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bern&#xe1;d</surname>
<given-names>JZ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stobi&#x144;ska</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>S&#xe1;nchez-Soto</surname>
<given-names>LL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Leuchs</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>QED with a Parabolic Mirror</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2013</year>) <volume>88</volume>:<fpage>023825</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.88.023825</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physreva.88.023825">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=QED+with+a+Parabolic+Mirror&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>BR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>QL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guo</surname>
<given-names>JY</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>MS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Design of a Novel Monolithic Parabolic-Mirror Ion-Trap to Precisely Align the RF Null Point with the Optical Focus</article-title>. <source>ArXiv:quant-ph/0408845</source> (<year>2020</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Design+of+a+Novel+Monolithic+Parabolic-Mirror+Ion-Trap+to+Precisely+Align+the+RF+Null+Point+with+the+Optical+Focus&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guti&#xe9;rrez-J&#xe1;uregui</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>J&#xe1;uregui</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Spontaneous Transition Rates Near the Focus of a Parabolic Mirror with Identification of the Vectorial Modes Involved</article-title>. <source>Sci Rep</source> (<year>2020</year>) <volume>10</volume>:<fpage>17383</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41598-020-74377-2</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33060669/">PubMed Abstract</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1038/s41598-020-74377-2">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Spontaneous+Transition+Rates+Near+the+Focus+of+a+Parabolic+Mirror+with+Identification+of+the+Vectorial+Modes+Involved&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guti&#xe9;rrez-J&#xe1;uregui</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>J&#xe1;uregui</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Photons in the Presence of Parabolic Mirrors</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2018</year>) <volume>98</volume>:<fpage>043808</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.98.043808</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physreva.98.043808">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Photons+in+the+Presence+of+Parabolic+Mirrors&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Anderson</surname>
<given-names>SE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Raithel</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Ionization of Rydberg Atoms by Standing-Wave Light Fields</article-title>. <source>Nat Commun</source> (<year>2013</year>) <volume>4</volume>:<fpage>2967</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/ncomms3967</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24336092/">PubMed Abstract</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1038/ncomms3967">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Ionization+of+Rydberg+Atoms+by+Standing-Wave+Light+Fields&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Smirnova</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Smirnov</surname>
<given-names>AI</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kivshar</surname>
<given-names>YS</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Multipolar Second-Harmonic Generation by Mie&#x2010;Resonant Dielectric Nanoparticles</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2018</year>) <volume>97</volume>:<fpage>013807</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.97.013807</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physreva.97.013807">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Multipolar+Second-Harmonic+Generation+by+Mie&#x2010;Resonant+Dielectric+Nanoparticles&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Purcell</surname>
<given-names>EM</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Proceedings of the American Physical Society: Spontaneous Emission Probabilities at Ratio Frequencies</article-title>. <source>Phys Rev</source> (<year>1946</year>) <volume>69</volume>:<fpage>681</fpage>. <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Proceedings+of+the+American+Physical+Society:+Spontaneous+Emission+Probabilities+at+Ratio+Frequencies&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cohen-Tannoudji</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dupont-Roc</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grynberg</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Atom-Photon Interactions: Basic Processes and Applications</source>. <publisher-loc>Hoboken</publisher-loc>: <publisher-name>Wiley</publisher-name> (<year>1989</year>). p. <fpage>518</fpage>. <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Atom-Photon+Interactions:+Basic+Processes+and+Applications&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Messiah</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Quantum Mechanics</source>. <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>Wiley</publisher-name> (<year>1961</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Quantum+Mechanics&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Dicke</surname>
<given-names>RH</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The Effect of Collisions Upon the Doppler Width of Spectral Lines</article-title>. <source>Phys Rev</source> (<year>1953</year>) <volume>89</volume>:<fpage>472</fpage>&#x2013;<lpage>3</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrev.89.472</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physrev.89.472">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=The+Effect+of+Collisions+Upon+the+Doppler+Width+of+Spectral+Lines&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Itano</surname>
<given-names>WM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bergquist</surname>
<given-names>JC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bollinger</surname>
<given-names>JJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gilligan</surname>
<given-names>JM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Heinzen</surname>
<given-names>DJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Moore</surname>
<given-names>FL</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Quantum Projection Noise: Population Fluctuations in Two-Level Systems</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>1993</year>) <volume>47</volume>:<fpage>3554</fpage>&#x2013;<lpage>70</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.47.3554</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9909363/">PubMed Abstract</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physreva.47.3554">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Quantum+Projection+Noise:+Population+Fluctuations+in+Two-Level+Systems&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ido</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Katori</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Recoil-Free Spectroscopy of Neutral Sr Atoms in the Lamb-Dicke Regime</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2003</year>) <volume>91</volume>:<fpage>053001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.91.053001</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12906592/">PubMed Abstract</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.91.053001">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Recoil-Free+Spectroscopy+of+Neutral+Sr+Atoms+in+the+Lamb-Dicke+Regime&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kleppner</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Inhibited Spontaneous Emission</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>1981</year>) <volume>47</volume>:<fpage>233</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.47.233</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physrevlett.47.233">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Inhibited+Spontaneous+Emission&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Haroche</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kleppner</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Cavity Quantum Electrodynamics</article-title>. <source>Phys Today</source> (<year>1989</year>) <volume>42</volume>:<fpage>24</fpage>&#x2013;<lpage>30</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.881201</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1063/1.881201">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Cavity+Quantum+Electrodynamics&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B37">
<label>37.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Berestetvkii</surname>
<given-names>VB</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lifshhitz</surname>
<given-names>EM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pitaevskii</surname>
<given-names>LP</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Relativistic Quantum Theory I</source>. <publisher-loc>Oxford</publisher-loc>: <publisher-name>Pergamonn Press Ltd</publisher-name>. (<year>1971</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Relativistic+Quantum+Theory+I&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B38">
<label>38.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yoo</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eberly</surname>
<given-names>JH</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Dynamical Theory of an Atom with Two or Three Levels Interacting with Quantized Cavity Fields</article-title>. <source>Phys Rep</source> (<year>1985</year>) <volume>118</volume>:<fpage>239</fpage>&#x2013;<lpage>337</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0370-1573(85)90015-8</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/0370-1573(85)90015-8">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Dynamical+Theory+of+an+Atom+with+Two+or+Three+Levels+Interacting+with+Quantized+Cavity+Fields&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B39">
<label>39.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Reid</surname>
<given-names>MD</given-names>
</name>
<name>
<surname>Walls</surname>
<given-names>DF</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Generation of Squeezed States via Degenerate Four-Wave Mixing</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>1985</year>) <volume>31</volume>:<fpage>1622</fpage>&#x2013;<lpage>35</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.31.1622</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physreva.31.1622">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Generation+of+Squeezed+States+via+Degenerate+Four-Wave+Mixing&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B40">
<label>40.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jackson</surname>
<given-names>JD</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Classical Electrodynamics</source>. <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>John Wiley &#x26; Sons</publisher-name> (<year>1975</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Classical+Electrodynamics&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B41">
<label>41.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jentschura</surname>
<given-names>UD</given-names>
</name>
<name>
<surname>Serbo</surname>
<given-names>VG</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Generation of High-Energy Photons with Large Orbital Angular Momentum by Compton Backscattering</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2011</year>) <volume>106</volume>:<fpage>013001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.106.013001</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/21231735/">PubMed Abstract</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.013001">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Generation+of+High-Energy+Photons+with+Large+Orbital+Angular+Momentum+by+Compton+Backscattering&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B42">
<label>42.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Seipt</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Surzhykov</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fritzsche</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Structured X-Ray Beams From Twisted Electrons by Inverse Compton Scattering of Laser Light</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2014</year>) <volume>90</volume>:<fpage>012118</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.90.012118</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physreva.90.012118">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Structured+X-Ray+Beams+From+Twisted+Electrons+by+Inverse+Compton+Scattering+of+Laser+Light&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B43">
<label>43.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zibrov</surname>
<given-names>AS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lukin</surname>
<given-names>MD</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hollberg</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Scully</surname>
<given-names>MO</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Efficient Frequency Up-Conversion in Resonant Coherent Media</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2002</year>) <volume>65</volume>:<fpage>051801(R)</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.65.051801</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physreva.65.051801">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Efficient+Frequency+Up-Conversion+in+Resonant+Coherent+Media&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B44">
<label>44.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kumar</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shapiro</surname>
<given-names>JH</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Squeezed-State Generation via Forward Degenerate Four-Wave Mixing</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>1984</year>) <volume>30</volume>:<fpage>1568(R)</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.30.1568</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physreva.30.1568">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Squeezed-State+Generation+via+Forward+Degenerate+Four-Wave+Mixing&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B45">
<label>45.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nieminen</surname>
<given-names>TA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rubinsztein-Dunlop</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Heckenberg</surname>
<given-names>NR</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Vector Spherical Wavefunction Expansion of a Strongly Focussed Laser Beam</article-title>. In: <person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>Gustafson</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kolokolova</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Videen</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group>, editors. <source>Electromagnetic and Light Scattering by Nonspherical Particles</source>. <publisher-loc>Adelphi, Maryland</publisher-loc>: <publisher-name>Army Research Laboratory</publisher-name> (<year>2002</year>). p. <fpage>243</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Vector+Spherical+Wavefunction+Expansion+of+a+Strongly+Focussed+Laser+Beam&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B46">
<label>46.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schwinger</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>DeRaad</surname>
<given-names>LL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Milton</surname>
<given-names>KA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Casimir Effect in Dielectrics</article-title>. <source>Ann Phys</source> (<year>1978</year>) <volume>115</volume>:<fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>23</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0003-4916(78)90172-0</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/0003-4916(78)90172-0">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Casimir+Effect+in+Dielectrics&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B47">
<label>47.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mair</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vaziri</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Weihs</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zeilinger</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Entanglement of the Orbital Angular Momentum States of Photons</article-title>. <source>Nature</source> (<year>2001</year>) <volume>412</volume>:<fpage>313</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/35085529</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11460157/">PubMed Abstract</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1038/35085529">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Entanglement+of+the+Orbital+Angular+Momentum+States+of+Photons&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B48">
<label>48.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Walker</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arnold</surname>
<given-names>AS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Franke-Arnold</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Trans-spectral Orbital Angular Momentum Transfer via Four-Wave Mixing in Rb Vapor</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2012</year>) <volume>108</volume>:<fpage>243601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.108.243601</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23004270/">PubMed Abstract</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physrevlett.108.243601">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Trans-spectral+Orbital+Angular+Momentum+Transfer+via+Four-Wave+Mixing+in+Rb+Vapor&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B49">
<label>49.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Boyd</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Nonlinear Optics</source>. <edition>3rd ed.</edition> <publisher-loc>Amsterdam, Netherlands</publisher-loc>: <publisher-name>Elsevier</publisher-name> (<year>2008</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Nonlinear+Optics&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B50">
<label>50.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Agarwal</surname>
<given-names>GS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Adam</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Photon-Number Distributions for Quantum Fields Generated in Nonlinear Optical Processes</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>1988</year>) <volume>38</volume>:<fpage>750</fpage>&#x2013;<lpage>3</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.38.750</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physreva.38.750">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Photon-Number+Distributions+for+Quantum+Fields+Generated+in+Nonlinear+Optical+Processes&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B51">
<label>51.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bloemberger</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Nonlinear Optics : A Lecture Note and Reprint Volume</source>. New York: <publisher-name>W. A. Benjamin Inc</publisher-name>. (<year>1965</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Nonlinear+Optics+:+A+Lecture+Note+and+Reprint+Volume&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B52">
<label>52.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chang</surname>
<given-names>DE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vuleti&#x107;</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lukin</surname>
<given-names>MD</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Nonlinear Optics &#x2014; Photon by Photon</article-title>. <source>Nat Phot</source> (<year>2014</year>) <volume>8</volume>:<fpage>635</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nphoton.2014.192</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.192">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Quantum+Nonlinear+Optics+&#x2014;+Photon+by+Photon&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
<ref id="B53">
<label>53.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Barrera</surname>
<given-names>RG</given-names>
</name>
<name>
<surname>Estevez</surname>
<given-names>GA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Giraldo</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Vector Spherical Harmonics and Their Application to Magnetostatics</article-title>. <source>Eur J Phys</source> (<year>1985</year>) <volume>6</volume>:<fpage>287</fpage>&#x2013;<lpage>94</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0143-0807/6/4/014</pub-id> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1088/0143-0807/6/4/014">CrossRef Full Text</ext-link> &#x7c; <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://scholar.google.com/scholar?hl=en&#x0026;as_sdt=0%2C5&#x0026;q=Vector+Spherical+Harmonics+and+Their+Application+to+Magnetostatics&#x0026;btnG=">Google Scholar</ext-link>
</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>