Denna avhandling innefattar såväl experimentella som numeriska studier av laserkylda atomer i optiska kristallgitter. Bland annat har laserkylningsprocesser studerats, där atomers rörelser i optiska kristallgitter har uppvisat andra typer av bakomliggande mekanismer än de som tidigare förutsågs genom “Sisyfoskylningsmodellen”. Sedan atomer kylda till några mikrokelvin först realiserades (sent 60-tal) så har Sisyfoskylningsmodellen varit hörnstenen för förståelsen av laserkylda och lokaliserade atomer i dissipativa optiska kristallgitter. I dissipativa optiska kristallgitter finns det en balans mellan den uppvärmande diffusionen och den kylande friktionen. Studier i denna avhandling visar att laserkylningsprocesser är mer komplexa än vad denna modell innefattar. Både experimentella och numeriska resultat visar att atomer i optiska kristallgitter har två hastighetsfördelningar där en “kallare” och en “varmare” mod av atomer omfördelas mellan moderna. Speciellt så visar det sig att varma atomer dels värms och diffunderar ut ur gittret, men samtidigt populeras den kalla moden med en tidsutveckling som inte förändrar dess temperatur nämnvärt. I detta arbete presenteras också resultat från den första realiserade tredimensionella Brownska motorn baserad på ljus-atom-växelverkan. Det unika med denna Brownska motor är att den är kontrollerbar både vad gäller dess hastighet som dess riktning. Den underliggande principen för denna Brownska motor är tämligen generell och den kan därför vara applicerbar inom andra vetenskapliga discipliner såsom nanoteknik, biologi, kemi och elektronik. Generellt så är förståelsen av Brownska motorer viktigt eftersom de återfinns i vår omgivning, från exempelvis härkomsten av muskelsammandragningar och materialtransporter i levande celler till rörelsen hos bakterier och mindre organismer. Det flesta av de experimentella resultaten presenterade i denna avhandling har varit möjliga genom utveckling och förbättringar av den experimentella uppställningen. Framförallt så har kvaliten och reproducerbarheten vid de olika mätningar som gjorts blivit avsevärt förbättrade jämfört med tidigare vilket utgör en bra grund för framtida studier av ultrakalla atomer.
Denna avhandling innefattar såväl experimentella som numeriska studier av laserkylda atomer i optiska kristallgitter. Bland annat har laserkylningsprocesser studerats, där atomers rörelser i optiska kristallgitter har uppvisat andra typer av bakomliggande mekanismer än de som tidigare förutsågs genom “Sisyfoskylningsmodellen”. Sedan atomer kylda till några mikrokelvin först realiserades (sent 60-tal) så har Sisyfoskylningsmodellen varit hörnstenen för förståelsen av laserkylda och lokaliserade atomer i dissipativa optiska kristallgitter. I dissipativa optiska kristallgitter finns det en balans mellan den uppvärmande diffusionen och den kylande friktionen. Studier i denna avhandling visar att laserkylningsprocesser är mer komplexa än vad denna modell innefattar. Både experimentella och numeriska resultat visar att atomer i optiska kristallgitter har två hastighetsfördelningar där en “kallare” och en “varmare” mod av atomer omfördelas mellan moderna. Speciellt så visar det sig att varma atomer dels värms och diffunderar ut ur gittret, men samtidigt populeras den kalla moden med en tidsutveckling som inte förändrar dess temperatur nämnvärt. I detta arbete presenteras också resultat från den första realiserade tredimensionella Brownska motorn baserad på ljus-atom-växelverkan. Det unika med denna Brownska motor är att den är kontrollerbar både vad gäller dess hastighet som dess riktning. Den underliggande principen för denna Brownska motor är tämligen generell och den kan därför vara applicerbar inom andra vetenskapliga discipliner såsom nanoteknik, biologi, kemi och elektronik. Generellt så är förståelsen av Brownska motorer viktigt eftersom de återfinns i vår omgivning, från exempelvis härkomsten av muskelsammandragningar och materialtransporter i levande celler till rörelsen hos bakterier och mindre organismer. Det flesta av de experimentella resultaten presenterade i denna avhandling har varit möjliga genom utveckling och förbättringar av den experimentella uppställningen. Framförallt så har kvaliten och reproducerbarheten vid de olika mätningar som gjorts blivit avsevärt förbättrade jämfört med tidigare vilket utgör en bra grund för framtida studier av ultrakalla atomer.
Populärvetenskaplig sammanfattningDen här avhandlingen behandlar teoretiska studier av modeller utav främst två typer.Dels studeras så kallade Bose-Hubbard-modeller, vilka är kvantmekaniska modeller som beskriver hur partiklar hoppar (genom kvantmekanisk tunnling) mellan olika potentialbrunnar.Denna typ av modell har blivit väldigt uppmärksammad under de senaste tjugo åren på grund av den snabba utvecklingen inom Bose-Einstein-kondensation.Bose-Einstein-kondensat bildas då vissa typer av atomer kyls ner till extremt låga temperaturer, vilket leder till att en stor andel av atomerna hamnar i samma kvanttillstånd.Detta betyder att vissa kvantmekaniska egenskaper som vanligtvis bara är urskiljbara på atomär nivå nu blir makroskopiskt observerbara.Genom att placera ett Bose-Einstein-kondensat i en stående våg som genererats av laserljus, så kommer atomerna i kondensatet antingen att dras till vågens bukar eller noder (beroende på atomslag).Effektivt sett så blir detta en periodisk potential för atomerna, vilket påminner om den som elektronerna i en metall känner av.Bose-Hubbard-modellen beskriver alltså hur de Bose-Einsteinkondenserade atomerna hoppar mellan den stående vågens olika potentialbrunnar (dvs noder eller bukar), men tar också hänsyn till de krafter som finns mellan atomerna själva.Den andra typen av modell som studeras är av så kallad diskret icke-linjär Schrödinger (DNLS) typ, som beskriver fält som är lokaliserade i brunnarna, istället för partiklar.Denna typ av modell går faktiskt också att applicera på Bose-Einstein-kondensat, då fälten beskriver en form utav medelvärdesbildning av antalet partiklar i brunnarna.Det går att visa matematiskt att Bose-Hubbardmodeller kan approximeras med DNLS-modeller då det är många partiklar i varje brunn.DNLS-modeller är även tillämpbara på många andra typer av system, till exempel kopplade optiska vågledare.Vågledare är, vilket namnet antyder, strukturer som kan leda ljusvågor längs med sig.Ett välbekant exempel på vågledare är optiska fibrer, men det finns även andra typer.Genom att placera flera vågledare nära varandra så kan ljus överföras från en vågledare till en annan, på ett sätt som påminner om hur atomerna i ett Bose-Einstein-kondensat kan hoppa mellan olika brunnar.DNLS-modeller beskriver alltså hur ljuset hoppar mellan olika vågledare, men tar också hänsyn till ljusets (icke-linjära) interaktion med vågledaren själv.Forskningen som presenteras i denna avhandling kan delas upp i två delar.Dels vii viii behandlar den nya typer av lösningar till DNLS-modeller.Detta har handlat om virvlar (roterande lösningar) som spontant byter rotationsriktning, men också om lokaliserade lösningar (diskreta 'breathers') i DNLS-modeller där brunnarna har placerats i en ring, med en ytterligare brunn i mitten.Den andra forskningsdelen har handlat om att studera kopplingen mellan Bose-Hubbard-och DNLS-modeller.Mer specifikt så har vi letat efter signaturer i Bose-Hubbard-modeller utav särskilda lösningar och beteenden i motsvarande DNLSmodeller.Detta har dels varit så kallade kompaktoner, för vilka alla brunnar förutom ett fåtal är helt tomma, där vi studerat hur motsvarande kvantmekaniska lösningar ser ut, och även dynamiken för dessa lösningar.Ett annat forskningsprojekt behandlade en viss typ av instabilitet hos en särskild lösning, och vilka kvantsignaturer den lämnar.Vi har även studerat signaturer av de ovannämnda virvlarna, vilka vi studerade i DNLS-modellen.
Attofysik är förankrad i ljus-materia växelverkan som uppkommer från starka fält, vilken gör det möjligt att generera, kontrollera och mäta elektroners dynamik på deras naturliga tidsskala. Kvantsammanflätning och koherens mellan fotoelektron och jon i laserassisterad ultrasnabb fotojonisation är väsentliga för att kunna förstå den underliggande dynamiken och kontroll över det korrelerade tvådelade systemet. Detta arbete undersöker rollen hos ett assisterande infrarött laserfält tillsammans med ett joniserande extremt ultraviolett fält för jonkoherens och von Neumann entropi i en tvåkanalsmodell med ett nytt tillvägagångssätt baserat på Keldysh-Faisal-Reiss teori. Metoden är även utvecklad och validerad i jämförelse med tidigare forskning och en annan modell med avseende på fotoelektronspektroskopi, där den visar god överensstämmelse. För den använda modellen visar resultaten att ickelinjära processer bidrar till koherensen, vilken är maximal för korta pulser, till skillnad från tidigare forskning från Pabst et al. [1]. Dock är koherensen liten som funktion av pulstid och bidrar till entropin i liten utsträckning, vilken visas vara framförallt driven av jonisationshastighet. Vidare visas att det assisterande laserfältet har liten inverkan på entropin i systemet om den är centrerad med det joniserande fältet, men en signifikant påverkan om den relativa fasskillnaden mellan bärande och omslutande puls är en kvartscykel (π/2). Metoden visar lovande resultat i simulering av ultrasnabb kvantsammanflätning och erbjuder framtida generaliserbarhet genom att integrera tvärsnittsbaserade modeller för dipolmatriselement, som tar modellen närmre fysikaliska system med elektronkorrelationsverkan.
Diese Doktorarbeit entwickelt den theoretischen, quantenoptischen Formalismus und beschreibt die dazugehörigen experimentellen Techniken, um die inneren Quantenzustände und den Schwerpunktsimpuls von Molekülen zu manipulieren, was für eine Laserkühlung von Molekülen erforderlich ist. Bisher war es nur möglich, Atome durch die Technik der Laserkühlung und zwar bis auf Nano-Kelvin abzukühlen, unter Ausnutzung einer Kombination aus kinetischen Effekten, dissipativen Mechanismen und der Bildung eines dunklen (nicht-absorbierenden) Zustandes. Gegenwärtig ist man der Ansicht, dass Laserkühlung im Falle von Molekülen nicht machbar sei und nur die bisherigen, nicht Laser-basierten Methoden anwendbar seien. Die komplexen inneren Energieniveaus der Moleküle verhindern die unmittelbare Anwendung der bisher bekannten Laser-Kühlungsmethoden. Neue Methoden sind erforderlich, um Moleküle mit Lasern zu kühlen. Hier wird theoretisch ein neuer Mechanismus entwickelt, um die Translationsfreiheitsgrade eines Gases von Molekülen mit Lasern auf Temperaturen unter Mikro-Kelvin zu kühlen unter Ausnutzung quantenoptischer Techniken. Das Schema beruht auf einer Aufeinanderfolge von Zyklen, bestehend aus drei einfachen Einzelschritten: Geschwindigkeitsselektion, Verzögerung und irreversible Akkumulation. Es überwindet ein seit langem bekanntes Hindernis: die Unmöglichkeit der Aufrechterhaltung einer wiederholten Abfolge des optischen Pumpens im Falle molekularer Niveaus. Nun sind weder ein geschlossener Pumpvorgang, noch wiederholte spontane Emissionen erforderlich. Das Konzept besteht aus einer Kombination von Laser-Techniken, die dazu dienen, die Impulsverteilung des molekularen Gases zu formen: Raman p-Pulse für die Geschwindigkeitsauswahl, stimulierter adiabatischer Raman Übergang (STIRAP) für die Abbremsung und eine einzige spontane Emission für die irreversible Akkumulation.
Inom fältet kvantinformation behandlar man information med hjälp av så kallade kvantmekaniska system, vilket tillför både möjligheter och svårigheter i reella tillämpningar. Ett fundamentalt begrepp är den så kallade kvantbiten, eller qubit som den brukar omnämnas i engelsk litteratur, vilken är den grundläggande komponenten i vilken kvantinformation hanteras, som en direkt analog till biten i en klassisk dator. En klassisk bit har möjligheten att anta värdet ett eller noll, medan en kvantbit dessutom har möjligheten att anta båda dessa värden på en och samma gång i en godtycklig proportion, vilket framstår som obegripligt i förhållande till den klassiska värld som vi upplever. Denna egenskap erbjuder möjligheten att behandla information på ett fundamentallt annorlunda sätt än vad vi är vana vid. Exempel på tillämpningar är kvantdatorer och kvantkryptografi. Kvantdatorer kan utnyttjas för att lösa problem som för klassiska datorer är helt olösbara inom rimlig tid (t.ex. faktorisering av stora tal). Med kvantkryptografins hjälp kan vi dessutom skapa kommunikationskanaler som erbjuder i det närmaste fullständig säkerhet mot intrång vad gäller avlyssning. Denna rapporten har behandlat så kallade optiska kvantminnen, vilka har till syfte att lagra kvantinformation i form av fotoner, dvs. ljuspartiklar. Utförandet består av att en inkommande foton som innehåller en viss kvantbit, absorberas i ett medium och överför kvantinformationen till exciterade elektroner i lagrade joner av typen sällsynta jordartsmetaller. Kvantbiten ska sedan kunna återskapas genom att en ny foton sänds ut från jonerna, med ett identiskt kvantillstånd jämfört med den ursprungliga fotonen. I denna avhandling behandlar vi en viss typ av minnen där de olika specifika jonerna endast absorberar fotoner nära en viss motsvarande frekvens eller energi. På det stora hela ter sig detta i att vi får en fördelning när vi tittar på absorptionen som en funktion av frekvensen, vilket vi benämner som absorptionsspektrumet. Genom olika tekniker är det möjligt att i detalj utforma denna fördelning, vilket är avgörande för hur effektivt det optiska kvantmimmet i slutändan blir. Genom att dessutom omgärda det absorberande mediumet med två delvis genomskinliga speglar, är det möjligt att ytterligare förbättra prestandan på minnet (en kavitet har introducerats). Denna typ är under utveckling i Lund, och har redan i experiment visat hög potential. Detta komplement tillför dock ytterligare problem i den mån att speglarna döljer absorptionsspektrumet för den utsomstående observatören, till följd att vi förlorar kontroll över minnet och därmed inte kan uppnå minnets fulla kapacitet. Denna rapport har därför utvecklat en metod eller algoritm med syftet att lösa detta problem. Lösningen ter sig som så att genom att jämföra det elektriska fältet av en inkommande och reflekterad ljuspuls med hjälp av en algoritm, är det möjligt att indirekt klargöra utseendet på det i kaviteten existerande absorptionsspektrumet. I rapporten utveklades också en simulator med syftet att simulera det elektriska fältet inuti kaviteten, så att den utvecklade metoden kunde testas på den resulterande utdatan. Resultaten kunde bedömas som lovande då avvikelsen mellan det riktiga och det beräknade absorptionsspetrumet kunde sägas vara låg i de fall som undersöktes.
Fremskridtene inden for kvantevidenskab har potentialet til fundamentelt at ændre moderne teknologi. Kvantecomputere kan udføre regninger umulige for en klassisk computer, mens kvantesensorer tillader målinger med hidtil uset præcision. Centralt for disse videnskabelige gennembrud ligger den præcise manipulation af lys og stof gennem deres fælles interaktion, hvilket fremhæver vigtigheden af fremgang i vores teoretiske forståelse af dette felt. Denne afhandling sigter efter at udvide den teoretiske forståelse af lys-stof interaktion mellem propagerende kvantepulser af lys og stationære kvantesystemer. Den generelle beskrivelse af sådanne spredningsprocesser er besværlig på grund af de mange mulige spredningsudfald og behovet for tilpasning af den teoretiske model til det specifikke system og lysets kvantetilstand. Vi introducerer en alsidig teoretisk model, der muliggør en beskrivelse af lys-stof interaktioner mellem forskellige stationære systemer og kvantetilstande af lys. Vi benytter denne model til at undersøge interaktionen mellem et enkelt to-niveau system og en enkelt lys bølgepakke i en Focktilstand. Vores analyse viser, at bestemte bølgepakker af lys undergår en fratrækning af en enkelt foton, når interaktionen restringeres til kun en enkelt propagationsretning af lyset. Den omvendte proces muliggør addition af en enkelt foton til en specifik bølgepakketilstand. Derefter går vi videre til at udvide en af de essentielle lys-stof vekselsvirkningsskemaer mellen klassiske lysfelter og et tre-niveau system i en Λ-konfiguration, stimuleret Raman adiabatisk passage. Vores undersøgelse udvider dette skema til ikke-klassiske Focktilstande af lysfeltet, hvor vi beskriver de fulde relevante kvante frihedsgrader af både system og lys. Vores fund demonsterer, at dynamikken har stor lighed med den klassiske modpart for store Focktilstande. I det sidste præsenterede projekt skifter vi fokus fra spredningsproblemer til en analyse af et realistisk superledende kredsløb, som er designet til at generere ikke-klassiske propagerende lystilstande. Vi karakteriserer et udgående lysfelt fra kredsløbet og identificerer de faktorer, der har betydning for kvantetilstanden i kredsløbet overføres til en enkelt bølgepakketilstand. Som afrunding opsummerer vi vores opnåede resultater og foreslår fremtidige retninger for denne forskning.