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Cavity QED with a Large Mode Volume High Finesse Cavity

Leif Malik Lindholdt

Published May 28, 2010• 0 citations
OpenAlex

Abstract

Diese Arbeit behandelt die Wechselwirkung zwischen einem kalten Quantengas und den Photonen einer Mode eines Hochfinesse-Resonators. Das Regime der starken Kopplung wurde zunaachst anhand der Modenaufspaltung in einem Ringresonator untersucht. Im vergangenen Jahrzehnt wurden viele interessante Szenarien, wie Resonator-Dopplerkuhlung, Resonator-Seitenbandkuhlung und Selbstorganisation von Atomen theoretisch vorhergesagt. Um diese Effekte mit einer grossen Anzahl von Atomen bei extrem niedrigen Temperaturen experimentell zu demonstrieren, braucht man einen Resonator mit einer sehr grossen Finesse und einem grossen Modenvolumen. Daher wurde eine Apparatur aufgebaut, die es erlaubt ein BEC, das aus einigen 10^5 Atomen besteht, mit einer Resonatormode mit grossem Modenvolumen zu uberlagern. Um in das Regime der starken Kopplung zu gelangen, wurde eine moderate Verstimmung von der Atomresonanz und ein Resonator mit einer Finesse von mehr als 400000 verwendet. Der Resonator ist langenverstellbar und kann so eingestellt werden, dass er fast spharisch ist. Mit einem Verhaltnis aus Streuung in den freien Raum zu Streuung in die Resonatormode von 20, sollte es moglich sein Resonator-Dopplerkuhlung, Resonator-Seitenbandkuhlung und Selbstorganisation zu erreichen. Die entscheidenden physikalischen Grossen fur diese Szenarien werden berechnet und die experimentelle Realsierbarkeit wird diskutiert. This thesis deals with the interaction between a cold quantum gas and the photons of a high finesse cavity mode. The regime of strong coupling was first explored by measuring the normal mode splitting of a ring cavity mode. In the last decade many interesting scenarios, like cavity Doppler cooling, cavity sideband cooling and self organization of atoms were predicted theoretically. Demonstrating these effects with a large number of atoms at extreme low temperatures require a cavity with a very high finesse and a large mode volume. Thus an experimental apparatus was built that allows overlapping a BEC of a few 10^5 rubidium atoms with a cavity mode with a large mode volume. To explore the regime of strong coupling a moderate detuning from the atomic resonance and a cavity with a finesse of more than 400000 was chosen. The cavity has an adjustable length and can be adjusted to be nearly spherical. With a cavity to free space scattering ratio up to 20 cavity Doppler cooling, cavity sideband cooling and self organization of atoms should be accessible. The relevant quantities for these scenarios are calculated and the feasibility of a experimental realisation is discussed.

Related papers

Multimode strong coupling of cold atoms to a fiber ring resonator including a nanofiber-based optical interface

Martin Blaha

In den letzten Jahrzehnten wurde ein besonderer Forschungsschwerpunkt auf die Realisierung der starken Wechselwirkung zwischen optischen Emittern und dem elektromagnetischen Feld innerhalb eines Resonators gelegt, deren Beschreibung als Resonator-Quantenelektrodynamik (QED) bezeichnet wird.In dieser Arbeit wird ein neuartiger Bereich der Resonator-QED untersucht, bei dem das gekoppelte Atom-Resonator System in das - den meisten etablierten Experimenten dieses Forschungsfeldes vorenthaltene - Regime der multimodalen starken Wechselwirkung vordringt.Im Zentrum der präsentierten Arbeit steht ein neuer experimenteller Aufbau, der darauf ausgelegt ist, ein lasergekühltes Ensemble von Atomen an das Feld eines langen Faser-Ringresonators via integrierter optischer Nanofaser zu koppeln.Ab einer passenden Anzahl gekoppelten Atomen tritt unser System in das Regime der multimodalen starken Kopplung ein, welches sich dadurch auszeichnet, dass die Atom-Resonator Kopplungsstärke den freie Spektralbereich des Resonators übersteigt und die Atome gleichzeitig an mehrere longitudinale Resonatormoden koppeln.Des Weiteren entwickelten wir einen theoretischen Formalismus auf Basis des Photonentransports, der uns erlaubt unser System, welches an der Grenze zwischen Wellenleiter- und Resonator-QED arbeitet, zu beschreiben.Die explizite Berücksichtigung eines ortsabhängigen Resonatorfeldes und die Nichtbeschränkung auf eine einzelne longitudinale Mode des Resonators ermöglicht uns eine theoretische Vorhersage für den stationären Zustand unseres Systems zu berechnen. Insbesondere kann unser Model Effekte der starken Multimoden-Atom-Resonator Wechselwirkung quantifizieren, die bereits außerhalb des Gültigkeitsbereichs der etablierten Jaynes- und Tavis-Cummings-Modelle liegen, jene Modelle, die üblicherweise zur Beschreibung der Resonator-QED verwendet werden.Unsere experimentell bestimmten Transmissionsspektren des gekoppelten Atom-Resonator Systems zeigen eine Normalmodenaufspaltung, die den freien Spektralbereich des Resonators überschreitet. Dies ist ein klarer Beweis dafür in das Regime der multimodalen starken Kopplung vorgedrungen zu sein. Die gemessenen Spektren stimmen gut mit unseren theoretischen Vorhersagen aus dem in dieser Arbeit abgeleiteten Modell überein.Damit ist gezeigt, dass sich sowohl unsere theoretischen als auch experimentellen Ergebnisse qualitativ von denen des Tavis-Cummings-Modells unterscheiden und den Weg für weitere Untersuchungen der Licht-Materie Wechselwirkung im Regime der multimodalen starken Kopplung öffnen. Darüber hinaus kann unsere Beschreibung als Alternative zur genauen Beschreibung der starken Kopplung für Systeme dienen, in denen das Resonatorfeld bereits in einem Durchgang signifikant verändert wird und somit, mit seiner für die Wellenleiter-QED üblichen Terminologie, einen neuen Blickwinkel zum Verständnis der starken Kopplung eröffnen.

•May 1, 2021•0 citations

Kühlen und Positionieren eines Atoms in einem optischen Resonator

S. Nußmann

Die vorliegende Dissertation beschreibt Experimente mit einzelnen Atomen in einem optischen Resonator hoher Finesse.Bei Beleuchtung des Atoms mit einem transversalen Pumplaser kommt es in Kombination mit einer resonatorunabhängigen Stehwellen-Dipolfalle und dem Vakuumfeld des Resonators zu dreidimensional wirkenden Kühlkräften, die zur Präparation einzelner Atome im Zentrum der Resonatormode verwendet werden.Durch Verschieben der Stehwellenfalle kann die Atom-Resonator-Kopplung exakt eingestellt werden.Für die Experimente wurde eine neue Apparatur aufgebaut, in der Atome aus einer magnetooptischen Falle mit Hilfe einer Dipolfalle zum optischen Resonator transportiert werden.Die dort gespeicherten Atome weisen Temperaturen unter der Doppler-Grenze auf, sie sind gut in der Mode lokalisiert und bleiben im Mittel 17 s lang gespeichert.Zudem kann aus der Photonenstreurate die Anzahl der gespeicherten Atome bestimmt werden.

•Apr 1, 2006•2 citations

Cavity enhanced optical processes in microsphere resonators

A. Mazzei

Diese Arbeit beschreibt eine ausfŸhrliche Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von Mikrokugelresonatoren aus Quarzglas. Diese Resonatoren unterstŸtzen sogennante whispering-gallery Moden (WGM), die GŸten so hoch bis 109 bieten. Als experimentelle Hilfsmittel wurden ein Nahfeld- und ein Konfokalmikroskop benutzt, um die Struktur der Moden bezŸglich der Topographie des Resonators eindeutig zu identifizieren, oder um einzelne Quantenemitter zu detektieren und anzuregen. Die resonante †berhšhung des elektromagnetischen Feldes in den Moden des Resonators wurde ausgenutzt, um stimulierte Raman-Streuung mit extrem niedrigem Schwellenwert im Quarzglas zu beobachten. Ein Rekordschwellenwert von 4.5 Mikrowatts wurde gemessen. Mittels einer Nahfeldsonde wurde die Modenstruktur des Mikro-Ramanlasers gemessen. Mikroresonatoren stellen einen Grundbaustein der Resonator-Quantenelektrodynamik dar. In dieser Arbeit wurde die Kopplung von einem einzelnen strahlenden Dipol an die WGM sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Die kontrollierte Kopplung von einem einzelnen Nanoteilchen an die WGM eines Mikrokugelresonators wurde nachgewiesen. Erste Ergebnisse in der Kopplung eines einzelnen Emitters an die Moden des Resonators wurden erzielt. Die resonante Wechselwirkung mit Resonatormoden wurde ausgenutzt, um den Photonentransfer zwischen zwei Nanoteilchen dramatisch zu verstŠrken. Schlie§lich wurde die bislang unbeachtete Analogie zwischen dem Quantensystem eines einzelnen Emitters in Wechselwirkung mit einer einzelnen Resonatormode und dem klassischen System zweier gekoppelten Moden experimentell untersucht. Es wurde bewiesen, wie die aus der Resonatorquantenelektrodynamik bekannten Kopplungsregime der starken und schwachen Kopplung in Analogie auch an einem klassischen System beobachtet werden kšnnen. Der †bergang von schwacher zu starker Kopplung wurde beobachtet, und bislang gemessene unerwartet hohe Kopplungsraten konnten einfach erklŠrt werden.

•Mar 7, 2008•1 citation

Quantum Field Theory of Atomic Motion of Gases in Electromagnetic Resonators

Frank Burgbacher

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der quantenfeldtheoretischen Beschreibung der Bewegung von atomaren Bosegasen in einem elektromagnetischen Resonator. Über den Austausch von Photonen wechselwirken die Atome dabei untereinander. Es wird untersucht, wie sich Effekte dieser Wechselwirkung auf die Bewegung der Atome auswirken, und inwiefern sich diese Systeme von den entsprechenden Einteilchensystemen und Systemen, die mit dem elektromagnetischen Feld des freien Raumes wechselwirken, unterscheiden. Um das System zu vereinfachen, ersetzt man die komplizierten Austauschprozesse von Photonen zwischen den Atomen durch eine direkte effektive Wechselwirkung der Atome untereinander. Die spezielle Form dieser dynamische Dipol-Dipol-Wechselwirkung hängt stark von der Struktur des quantisierten Photonenfeldes ab, und es existieren daher große Unterschiede zwischen einem Resonator und dem freien Raum, hervorgerufen durch die Wände des Resonators. So werden Photonen in einer Kavität immer wieder von den Wänden reflektiert, was zu einer Erhöhung der Reichweite der Wechselwirkung und Brechung der Translationsinvarianz führt. Als spezielle Anwendung wird die Theorie eines Strahlteilers für ein atomares Bose-Einstein-Kondensat auf der Basis von Braggstreuung an einer stehenden Resonatormode entwickelt. Es wird gezeigt, wo die Unterschiede zur Streuung an einer stehenden Laserwelle liegen, und welche Vorteile die Verwendung einer Kavität bietet. Anwendung könnte dieses System bei der Konstruktion eines Atominterferometers für Bose-Kondensate finden.

•Jan 1, 1998•0 citations

Single atom detection in low finesse cavities

Albrecht Haase

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde der Grundstein gelegt für die Integration mikrooptischer Elements auf Atomchips. Dies beinhaltete theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Möglichkeit der Detektion einzelner Atome mit Hilfe von optischen Resonatoren niedriger Güte. Hierfür wurde ein theoretisches Model zur Beschreibung des gekoppelten Systems Atom-Resonator entwickelt. Angewandt auf einen optischen Faserresonator auf dem Atomchip, sagt dieses Model das Erreichen eines Signal-zu-Rausch-Verhältnisses von über 30 für die Einzelatomdetektion voraus, für Meßintervalle von 10µs. Des weiteren wurde ein Experiment mit kalten Rubidium Atomen aufgebaut, das den ersten Atomchip mit integriertem Faserresonator aufnehmen wird. Eine Serie von Experimenten mit einem makroskopischen Testresonator, der in seinen Eigenschaften einem Faserresonantor gleicht, wurde durchgeführt. Indem man den Resonator sehr nah am konzentrischen Punkt betreibt, kann dessen Fokusbreite auf 12µm reduziert werden, bei einer Finesse von 1200. Diese Parameter liegen in der gleichen Größenordnung wie die eines Faserresonators. Experimente mit Atomen, die frei durch den Resonator fallen oder mit Hilfe eines magnetischen Leiters hindurchgeführt werden, bestätigten die Voraussagen der Theorie bezüglich des Einflusses der Atome auf das Resonatortransmissionssignal.

•Jan 1, 2005•1 citation

Generation of multipartite entangled states for chains of atoms in the framework of cavity-QED

Denis Gonţa

Die sogenannte Cavity-Quantenelektrodynamik untersucht elektromagnetische Felder in Hohlraumresonatoren und das Strahlungsverhalten von Atomen in solchen Feldern. Aus experimenteller Sicht stellt ein einzelnes Atom in einem Resonator hoher Finesse das einfachste Beispiel für ein derartiges System dar. Aus theoretischer Sicht eignet sich dieses System besonders zur Quanteninformationsverarbeitung, wobei die Zustände der Atome und des Lichtfeldes als Quantenbits interpretiert werden. Die Wechselwirkung zwischen den Atomen und dem elektromagnetischen Feld im Resonator ermöglicht dabei die kontrollierte quantenmechanische Verschränkung der Quantenbits. In der vorliegenden Arbeit werden mehrere experimentelle Schemata vorgestellt, bei denen eine Kette von Atomen einen oder mehrere Resonatoren hoher Finesse passiert, um Zustände mit Mehrparteienverschränkung zu erzeugen. Im ersten Schritt werden zwei Schemata zur Erzeugung ein- und zweidimensionaler Cluster-Zustände beliebiger Größe vorgeschlagen. Die beiden Schemata basieren auf der resonanten Wechselwirkung einer Kette von Rydbergatomen mit einem oder mehreren Mikrowellenresonatoren. Im zweiten Schritt wird ein Schema zur Erzeugung von Mehrparteien-W-Zuständen diskutiert, das auf der nicht-resonanten Wechselwirkung einer Kette von Dreizustandsatomen mit einem optischen Resonator und einem Laserstrahl basiert. Alle Einzelschritte der vorgeschlagenen Schemata werden detailliert beschrieben. Darüber hinaus werden mehrere Techniken zur Identifikation der quantenmechanischen Korrelationen in den erzeugten Zuständen begrenzter Größe diskutiert.

•Jan 1, 2010•0 citations
Diese Arbeit behandelt die Wechselwirkung zwischen einem kalten Quantengas und den Photonen einer Mode eines Hochfinesse-Resonators. Das Regime der starken Kopplung
wurde zunaachst anhand der Modenaufspaltung in einem Ringresonator untersucht. Im vergangenen Jahrzehnt wurden viele interessante Szenarien, wie Resonator-Dopplerkuhlung,
Resonator-Seitenbandkuhlung und Selbstorganisation von Atomen theoretisch vorhergesagt. Um diese Effekte mit einer grossen Anzahl von Atomen bei extrem niedrigen
Temperaturen experimentell zu demonstrieren, braucht man einen Resonator mit einer sehr grossen Finesse und einem grossen Modenvolumen. Daher wurde eine Apparatur aufgebaut, die es erlaubt ein BEC, das aus einigen 10^5 Atomen besteht, mit einer Resonatormode mit grossem Modenvolumen zu uberlagern. Um in das Regime der starken Kopplung zu gelangen, wurde eine moderate Verstimmung von der Atomresonanz und ein Resonator mit einer Finesse von mehr als 400000 verwendet. Der Resonator ist langenverstellbar und kann so eingestellt werden, dass er fast spharisch ist. Mit einem Verhaltnis aus Streuung in den freien Raum zu Streuung in die Resonatormode von 20, sollte es moglich sein Resonator-Dopplerkuhlung, Resonator-Seitenbandkuhlung und Selbstorganisation zu erreichen. Die entscheidenden physikalischen Grossen fur diese Szenarien werden berechnet und die experimentelle Realsierbarkeit wird diskutiert.
This thesis deals with the interaction between a cold quantum gas and the photons of a high finesse cavity mode. The regime of strong coupling was first explored by measuring the normal mode splitting of a ring cavity mode. In the last decade many interesting scenarios,
like cavity Doppler cooling, cavity sideband cooling and self organization of atoms were predicted theoretically. Demonstrating these effects with a large number of atoms at extreme low temperatures require a cavity with a very high finesse and a large mode volume. Thus an experimental apparatus was built that allows overlapping a BEC of a few 10^5 rubidium atoms with a cavity mode with a large mode volume. To explore the regime of strong coupling a moderate detuning from the atomic resonance and a cavity with a finesse of more than 400000 was chosen. The cavity has an adjustable length and can be adjusted to be nearly spherical. With a cavity to free space scattering ratio up to 20 cavity Doppler cooling, cavity sideband cooling and self organization of atoms should be accessible. The relevant quantities for these scenarios are calculated and the feasibility of a experimental realisation is
discussed.
In den letzten Jahrzehnten wurde ein besonderer Forschungsschwerpunkt auf die Realisierung der starken Wechselwirkung zwischen optischen Emittern und dem elektromagnetischen Feld innerhalb eines Resonators gelegt, deren Beschreibung als Resonator-Quantenelektrodynamik (QED) bezeichnet wird.In dieser Arbeit wird ein neuartiger Bereich der Resonator-QED untersucht, bei dem das gekoppelte Atom-Resonator System in das - den meisten etablierten Experimenten dieses Forschungsfeldes vorenthaltene - Regime der multimodalen starken Wechselwirkung vordringt.Im Zentrum der präsentierten Arbeit steht ein neuer experimenteller Aufbau, der darauf ausgelegt ist, ein lasergekühltes Ensemble von Atomen an das Feld eines langen Faser-Ringresonators via integrierter optischer Nanofaser zu koppeln.Ab einer passenden Anzahl gekoppelten Atomen tritt unser System in das Regime der multimodalen starken Kopplung ein, welches sich dadurch auszeichnet, dass die Atom-Resonator Kopplungsstärke den freie Spektralbereich des Resonators übersteigt und die Atome gleichzeitig an mehrere longitudinale Resonatormoden koppeln.Des Weiteren entwickelten wir einen theoretischen Formalismus auf Basis des Photonentransports, der uns erlaubt unser System, welches an der Grenze zwischen Wellenleiter- und Resonator-QED arbeitet, zu beschreiben.Die explizite Berücksichtigung eines ortsabhängigen Resonatorfeldes und die Nichtbeschränkung auf eine einzelne longitudinale Mode des Resonators ermöglicht uns eine theoretische Vorhersage für den stationären Zustand unseres Systems zu berechnen. Insbesondere kann unser Model Effekte der starken Multimoden-Atom-Resonator Wechselwirkung quantifizieren, die bereits außerhalb des Gültigkeitsbereichs der etablierten Jaynes- und Tavis-Cummings-Modelle liegen, jene Modelle, die üblicherweise zur Beschreibung der Resonator-QED verwendet werden.Unsere experimentell bestimmten Transmissionsspektren des gekoppelten Atom-Resonator Systems zeigen eine Normalmodenaufspaltung, die den freien Spektralbereich des Resonators überschreitet. Dies ist ein klarer Beweis dafür in das Regime der multimodalen starken Kopplung vorgedrungen zu sein. Die gemessenen Spektren stimmen gut mit unseren theoretischen Vorhersagen aus dem in dieser Arbeit abgeleiteten Modell überein.Damit ist gezeigt, dass sich sowohl unsere theoretischen als auch experimentellen Ergebnisse qualitativ von denen des Tavis-Cummings-Modells unterscheiden und den Weg für weitere Untersuchungen der Licht-Materie Wechselwirkung im Regime der multimodalen starken Kopplung öffnen. Darüber hinaus kann unsere Beschreibung als Alternative zur genauen Beschreibung der starken Kopplung für Systeme dienen, in denen das Resonatorfeld bereits in einem Durchgang signifikant verändert wird und somit, mit seiner für die Wellenleiter-QED üblichen Terminologie, einen neuen Blickwinkel zum Verständnis der starken Kopplung eröffnen.
Die vorliegende Dissertation beschreibt Experimente mit einzelnen Atomen in einem optischen Resonator hoher Finesse.Bei Beleuchtung des Atoms mit einem transversalen Pumplaser kommt es in Kombination mit einer resonatorunabhängigen Stehwellen-Dipolfalle und dem Vakuumfeld des Resonators zu dreidimensional wirkenden Kühlkräften, die zur Präparation einzelner Atome im Zentrum der Resonatormode verwendet werden.Durch Verschieben der Stehwellenfalle kann die Atom-Resonator-Kopplung exakt eingestellt werden.Für die Experimente wurde eine neue Apparatur aufgebaut, in der Atome aus einer magnetooptischen Falle mit Hilfe einer Dipolfalle zum optischen Resonator transportiert werden.Die dort gespeicherten Atome weisen Temperaturen unter der Doppler-Grenze auf, sie sind gut in der Mode lokalisiert und bleiben im Mittel 17 s lang gespeichert.Zudem kann aus der Photonenstreurate die Anzahl der gespeicherten Atome bestimmt werden.
Diese Arbeit beschreibt eine ausfŸhrliche Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von Mikrokugelresonatoren aus Quarzglas. Diese Resonatoren unterstŸtzen sogennante whispering-gallery Moden (WGM), die GŸten so hoch bis 109 bieten. Als experimentelle Hilfsmittel wurden ein Nahfeld- und ein Konfokalmikroskop benutzt, um die Struktur der Moden bezŸglich der Topographie des Resonators eindeutig zu identifizieren, oder um einzelne Quantenemitter zu detektieren und anzuregen. Die resonante †berhšhung des elektromagnetischen Feldes in den Moden des Resonators wurde ausgenutzt, um stimulierte Raman-Streuung mit extrem niedrigem Schwellenwert im Quarzglas zu beobachten. Ein Rekordschwellenwert von 4.5 Mikrowatts wurde gemessen. Mittels einer Nahfeldsonde wurde die Modenstruktur des Mikro-Ramanlasers gemessen. Mikroresonatoren stellen einen Grundbaustein der Resonator-Quantenelektrodynamik dar. In dieser Arbeit wurde die Kopplung von einem einzelnen strahlenden Dipol an die WGM sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Die kontrollierte Kopplung von einem einzelnen Nanoteilchen an die WGM eines Mikrokugelresonators wurde nachgewiesen. Erste Ergebnisse in der Kopplung eines einzelnen Emitters an die Moden des Resonators wurden erzielt. Die resonante Wechselwirkung mit Resonatormoden wurde ausgenutzt, um den Photonentransfer zwischen zwei Nanoteilchen dramatisch zu verstŠrken. Schlie§lich wurde die bislang unbeachtete Analogie zwischen dem Quantensystem eines einzelnen Emitters in Wechselwirkung mit einer einzelnen Resonatormode und dem klassischen System zweier gekoppelten Moden experimentell untersucht. Es wurde bewiesen, wie die aus der Resonatorquantenelektrodynamik bekannten Kopplungsregime der starken und schwachen Kopplung in Analogie auch an einem klassischen System beobachtet werden kšnnen. Der †bergang von schwacher zu starker Kopplung wurde beobachtet, und bislang gemessene unerwartet hohe Kopplungsraten konnten einfach erklŠrt werden.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der quantenfeldtheoretischen Beschreibung der Bewegung von atomaren Bosegasen in einem elektromagnetischen Resonator. Über den Austausch von Photonen wechselwirken die Atome dabei untereinander. Es wird untersucht, wie sich Effekte dieser Wechselwirkung auf die Bewegung der Atome auswirken, und inwiefern sich diese Systeme von den entsprechenden Einteilchensystemen und Systemen, die mit dem elektromagnetischen Feld des freien Raumes wechselwirken, unterscheiden. Um das System zu vereinfachen, ersetzt man die komplizierten Austauschprozesse von Photonen zwischen den Atomen durch eine direkte effektive Wechselwirkung der Atome untereinander. Die spezielle Form dieser dynamische Dipol-Dipol-Wechselwirkung hängt stark von der Struktur des quantisierten Photonenfeldes ab, und es existieren daher große Unterschiede zwischen einem Resonator und dem freien Raum, hervorgerufen durch die Wände des Resonators. So werden Photonen in einer Kavität immer wieder von den Wänden reflektiert, was zu einer Erhöhung der Reichweite der Wechselwirkung und Brechung der Translationsinvarianz führt. Als spezielle Anwendung wird die Theorie eines Strahlteilers für ein atomares Bose-Einstein-Kondensat auf der Basis von Braggstreuung an einer stehenden Resonatormode entwickelt. Es wird gezeigt, wo die Unterschiede zur Streuung an einer stehenden Laserwelle liegen, und welche Vorteile die Verwendung einer Kavität bietet. Anwendung könnte dieses System bei der Konstruktion eines Atominterferometers für Bose-Kondensate finden.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde der Grundstein gelegt für die Integration mikrooptischer Elements auf Atomchips. Dies beinhaltete theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Möglichkeit der Detektion einzelner Atome mit Hilfe von optischen Resonatoren niedriger Güte. Hierfür wurde ein theoretisches Model zur Beschreibung des gekoppelten Systems Atom-Resonator entwickelt. Angewandt auf einen optischen Faserresonator auf dem Atomchip, sagt dieses Model das Erreichen eines Signal-zu-Rausch-Verhältnisses von über 30 für die Einzelatomdetektion voraus, für Meßintervalle von 10µs. Des weiteren wurde ein Experiment mit kalten Rubidium Atomen aufgebaut, das den ersten Atomchip mit integriertem Faserresonator aufnehmen wird. Eine Serie von Experimenten mit einem makroskopischen Testresonator, der in seinen Eigenschaften einem Faserresonantor gleicht, wurde durchgeführt. Indem man den Resonator sehr nah am konzentrischen Punkt betreibt, kann dessen Fokusbreite auf 12µm reduziert werden, bei einer Finesse von 1200. Diese Parameter liegen in der gleichen Größenordnung wie die eines Faserresonators. Experimente mit Atomen, die frei durch den Resonator fallen oder mit Hilfe eines magnetischen Leiters hindurchgeführt werden, bestätigten die Voraussagen der Theorie bezüglich des Einflusses der Atome auf das Resonatortransmissionssignal.
Die sogenannte Cavity-Quantenelektrodynamik untersucht elektromagnetische Felder in Hohlraumresonatoren und das Strahlungsverhalten von Atomen in solchen Feldern. Aus experimenteller Sicht stellt ein einzelnes Atom in einem Resonator hoher Finesse das einfachste Beispiel für ein derartiges System dar. Aus theoretischer Sicht eignet sich dieses System besonders zur Quanteninformationsverarbeitung, wobei die Zustände der Atome und des Lichtfeldes als Quantenbits interpretiert werden. Die Wechselwirkung zwischen den Atomen und dem elektromagnetischen Feld im Resonator ermöglicht dabei die kontrollierte quantenmechanische Verschränkung der Quantenbits. In der vorliegenden Arbeit werden mehrere experimentelle Schemata vorgestellt, bei denen eine Kette von Atomen einen oder mehrere Resonatoren hoher Finesse passiert, um Zustände mit Mehrparteienverschränkung zu erzeugen. Im ersten Schritt werden zwei Schemata zur Erzeugung ein- und zweidimensionaler Cluster-Zustände beliebiger Größe vorgeschlagen. Die beiden Schemata basieren auf der resonanten Wechselwirkung einer Kette von Rydbergatomen mit einem oder mehreren Mikrowellenresonatoren. Im zweiten Schritt wird ein Schema zur Erzeugung von Mehrparteien-W-Zuständen diskutiert, das auf der nicht-resonanten Wechselwirkung einer Kette von Dreizustandsatomen mit einem optischen Resonator und einem Laserstrahl basiert. Alle Einzelschritte der vorgeschlagenen Schemata werden detailliert beschrieben. Darüber hinaus werden mehrere Techniken zur Identifikation der quantenmechanischen Korrelationen in den erzeugten Zuständen begrenzter Größe diskutiert.