1.4 Wechselwirkung zwischen Atomen und elektromagnetischen Feldern

Günter Ludyk

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.

Markus W. Sigrist

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.

Karl Schilcher

Torsten Fließbach

Im Feld einer elektromagnetischen Welle schwingt ein geladenes Teilchen hin und her. Das so oszillierende Teilchen sendet dann elektromagnetische Strahlung aus. Durch diesen Prozess wird die elektromagnetische Welle gestreut. Wir berechnen den Wirkungsquerschnitt für die Streuung von Licht an Atomen (Abbildung 25.1). Wir behandeln die Thomsonstreuung, die Rayleighstreuung, die Resonanzfluoreszenz und den Übergang zwischen kohärenter und inkohärenter Streuung.