Diese Arbeit präsentiert eine neue Technik und deren mathematische Beschreibung zur lokalen Messung von elektromagnetischen Feldfluktuationen mithilfe ultrakalter Rb Atomwolken, welche auf der Detektion der Spin-Flips einzelner Atome dieses Ensembles beruht. Die Technik wird experimentell demonstriert und ein entwickeltes Modell wird mit den durchgeführten Experimenten verglichen. Im Gegensatz zu konventionellen Techniken, basierend auf Untersuchung der Dichte- und Impulsverteilung der Atomwolken, wird hier nur ein kleiner Teil des atomaren Ensembles detektiert. Dies erlaubt die Detektion elektromagnetischer Fluktuationen in Echtzeit, da die Methode das Gesamtensemble nicht zerstört. Die Möglichkeit der Detektion einzelner Atome erlaubt zudem statistische Analysen, welche mit konventionellen Absorptionsabbildungsverfahren nicht zugänglich sind. Im Experiment wurde das Verfahren an Spin-Flips zwischen den beiden Hyperfeinstrukturgrundzuständen von Rb untersucht.
Diese Arbeit präsentiert eine neue Technik und deren mathematische Beschreibung zur lokalen Messung von elektromagnetischen Feldfluktuationen mithilfe ultrakalter Rb Atomwolken, welche auf der Detektion der Spin-Flips einzelner Atome dieses Ensembles beruht. Die Technik wird experimentell demonstriert und ein entwickeltes Modell wird mit den durchgeführten Experimenten verglichen. Im Gegensatz zu konventionellen Techniken, basierend auf Untersuchung der Dichte- und Impulsverteilung der Atomwolken, wird hier nur ein kleiner Teil des atomaren Ensembles detektiert. Dies erlaubt die Detektion elektromagnetischer Fluktuationen in Echtzeit, da die Methode das Gesamtensemble nicht zerstört. Die Möglichkeit der Detektion einzelner Atome erlaubt zudem statistische Analysen, welche mit konventionellen Absorptionsabbildungsverfahren nicht zugänglich sind. Im Experiment wurde das Verfahren an Spin-Flips zwischen den beiden Hyperfeinstrukturgrundzuständen von Rb untersucht.
Durch die zunehmend gute Kontrolle einzelner Quantensysteme ist es möglich geworden verschiedene Quantensysteme zu kombinieren und in Wechselwirkung zu bringen. Dadurch entstand das Feld der hybriden Quantensysteme, welches sich in den letzten Jahren stetig weiterentwickelt hat. In dieser Arbeit wird das hybride Quantensystem aus supraleitenden Ringstrukturen und Wolken aus ultrakalten Rubidium-87 Atomen untersucht. Bei geschlossenen Wegen in Supraleitern, wie sie Ringe darstellen, ist der magnetische Fluss durch die umschlossene Fläche in ganzzahligen Vielfachen des magnetischen Flussquants quantisiert. Es wird in dieser Arbeit aufgezeigt, dass ultrakalte Atomwolken im Einflussbereich des supraleitenden Rings durch einzelne Flussquanten beeinflusst werden können. Die verschiedenen Auswirkungen der Flussquanten auf das atomare Ensemble, wie die Fallenfrequenz und damit die Schwerpunktsschwingung der Wolke im Potenzial, ebenso wie die Veränderung des Dichteprofils der Atomwolke und der in der Falle speicherbaren Atomzahl werden demonstriert. Dazu werden Messungen der Atomwolke im Einflussbereich der Flussquanten des Rings durchgeführt und ausgewertet, um experimentell die deutliche Sensitivität der Atomwolke auf einzelne Flussquanten über einen weiten Bereich von mehr als zehn Quanten zu demonstrieren. Zum besseren Verständnis und zur Interpretation der Messdaten werden numerische Berechnungen des Fallenpotenzials durchgeführt und ein Modell für die Dichteverteilung der Atome aufgestellt und mit den Messwerten verglichen. Dies stellt eine Voraussetzung und einen ersten grundlegenden Schritt hin zur Kopplung von Flussquanten und Wolken aus ultrakalten Atomen dar und eröffnet den weiteren Weg zur Übertragung von Zuständen zwischen diesen beiden Quantensystemen.
Die Kühlung neutraler Atome mit Hilfe von Laserlicht hat sich als wichtige experimentelle Technik in der Atom-und Quantenoptik etabliert.Mit dem Verfahren der Polarisationsgradientenkühlung werden Atome auf Temperaturen von wenigen Mikrokelvin, weit unterhalb des Dopplerlimits, gekühlt.Die vorliegende Arbeit befaßt sich systematisch mit zentralen Fragen zur Polarisationsgradientenkühlung in zwei Dimensionen und in Anwesenheit magnetischer und optischer Potentiale.Vor allem für neue Anwendungen der Laserkühlung neutraler Atome in Magnet-und Dipolfallen ist die hier untersuchte Thematik von grundlegender Bedeutung.Die Erweiterung der Polarisationsgradientenkühlung auf zwei Dimensionen ist nicht trivial.Das im allgemeinen aus drei oder vier Laserstrahlen erzeugte Polarisationsgradientenfeld besitzt keine Rotationssymmetrie.Dadurch kommt es zu einer Richtungsabhängigkeit der Laserkühlung.Im Rahmen dieser Arbeit konnten theoretisch vorhergesagte, charakteristische Impulsverteilungen der höherdimensionalen Laserkühlung mit einer Auflösung unterhalb der Photonenrückstoßgeschwindigkeit experimentell nachgewiesen werden.Dazu wurde die Dynamik der transversalen Kühlung eines langsamen Atomstrahls untersucht.Die theoretisch berechnete Zeitevolution der atomaren Geschwindigkeitsverteilung konnte qualitativ bestätigt werden.Das Polarisationsgradientenkühlen in Anwesenheit eines zusätzlichen Dipolpotentials ist im Hinblick auf die Erzeugung von Bose-Einstein Kondensaten mit rein optischen Verfahren wichtig.Hier wurde detailliert die zweidimensionale Kühlung eines atomaren Ensembles untersucht, das im starken Dipolpotential eines blau frequenzverstimmten Laguerre-Gauß Modes erster Ordnung (TEM * 01 ) eingeschlossen ist.Je nach Potentialstärke wurden bis zu achtzig Prozent der Atome auf sub-Dopplertemperatur gekühlt.Es zeigte sich, daß die Kühlung an Effizienz verliert, sobald der light shift des Fallenpotentials mit der Niveauverschiebung durch die optische Melasse vergleichbar ist.Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit Vorhersagen einer Quanten-Monte-Carlo Simulation, die in Zusammenarbeit mit einer niederländischen Forschungsgruppe entwickelt wurde.Ein homogenes statisches Magnetfeld kann die Dynamik der atomaren Bewegung in einem Polarisationsgradientenfeld entscheidend beeinflussen.Durch die Raman-Kopplung von Zeeman-Niveaus im bewegten Bezugssystem werden Teile des Ensembles auf verschiedene diskrete Geschwindigkeiten sub-Dopplergekühlt.Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden erstmals Geschwindigkeitsselektive Resonanzen in zweidimensionalen Polarisationsgradientenfeldern untersucht.Durch die Kombination von optischer Melasse und statischen Magnetfeldern konnten atomare Gitterstrukturen im Impulsraum erzeugt werden.Die Verwendung dieses Kühlschemas gestattet es, die Dichteverteilung von Atomstrahlen gezielt zu strukturieren.Die Interpretation der Ergebnisse in der semiklassischen Näherung ergibt exzellente Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment.
Der auf der quantenmechanischen Interferenz von Absorptionsamplituden beruhende Effekt der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT) gestattet die Transmission von Licht durch sonst für resonante optische Felder undurchlässige atomare Medien. Mit diesem Phänomen geht eine drastische Reduktion der Gruppengeschwindigkeit einher, welche mehrere Größenordnungen geringer sein kann als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Mit der langsamen Ausbreitung des Lichtfeldes werden Quasiteilchen, die sogenannten Dunkelzustandspolaritonen, assoziiert, welche eine Überlagerung atomarer Spinwellenanteile und photonischer Komponenten darstellen. In der vorliegenden Arbeit werden die Eigenschaften dieser Quasiteilchen in kohärent präparierten Medien unter dem Einfluß der Lichtspeicherung, einer Technik zur reversiblen Übertragung optischer Information in den kollektiven kohärenten Zustand eines atomaren Ensembles, untersucht. Es wird gezeigt, dass bei der Speicherung von Licht in Dreiniveausystemen mit zwei stabilen Grundzuständen, den sogenannten Lambda-Systemen, eine starke Verschiebung der optischen Trägerfrequenz in Richtung der Zweiphotonenresonanz auftritt, sobald die atomare Kohärenz in Photonen der neu erzeugten Signalfeldmode rücktransformiert wird. Es wird erwartet, dass dieser Effekt für beliebige Werte der Zweiphotonenverstimmung des eingestrahlten Signalfeldes innerhalb des Transparenzfensters einer Dunkelresonanz und für beliebige Ausrichtungen der Signalfelder bezüglich des Kontrollstrahls gültig ist. Für den im Experiment untersuchten Spezialfall kopropagierender optischer Felder wurde im Rahmen der Fehlergrenzen die erwartete Anpassung an die atomare Übergangsfrequenz zwischen den Grundzuständen beobachtet. Dieser nichtdissipative Effekt kann zur Vermessung der Energiedifferenz zwischen den Grundzuständen herangezogen werden, ohne dass eine genaue Kenntnis der optischen Frequenz des Signalfeldes erforderlich ist. Das demonstrierte Verfahren stellt einen neuartigen Ansatz für die Raman-Spektroskopie dar, welcher sich auch auf den Fall von Zweiphotonenübergängen in Systemen mit einer leiterartigen Kopplung übertragen lassen sollte. Das beschriebene spektroskopische Verfahren kann prinzipiell auch für nichtklassische Lichtzustände wie gequetschtes Licht und für einzelne Photonen angewendet werden. Da der Quantenzustand von der Prozedur nicht beeinträchtigt wird, könnten dadurch Möglichkeiten für Messungen atomarer Übergangsfrequenzen und von Magnetfeldern mit quantenlimitierter Genauigkeit eröffnet werden. Des Weiteren wurde im Rahmen dieser Arbeit die simultane Speicherung von zwei optischen Signalfeldmoden in einem aus Vierniveauatomen bestehenden Medium mit Dreibeinkopplung untersucht. Es wird gezeigt, dass die Speicherung von Dunkelzustandspolaritonen mit einer internen Zweiniveaustruktur, welche den entgegensetzt zueinander zirkular polarisierten optischen Signalfeldern zugeordnet werden, mittels Abbildung auf Spinwellenkohärenzen des atomaren Ensembles möglich ist. Der Nachweis, dass die optische Schwebungsfrequenz der Signalfelder nach der Speicherung durch die Übergangsfrequenz der Zeeman-Subniveaus des Grundzustands bestimmt wird, bestätigt den im Dreiniveausystem beobachteten Effekt der Frequenzanpassung. Die bei der Speicherung von Licht auftretende Frequenzanpassung ist auch im Hinblick auf Anwendungen im Zusammenhang mit der räumlichen Manipulation von Licht in Medien unter den Bedingungen der elektromagnetisch induzierten Transparenz von Interesse. In diesem Zusammenhang wurde experimentell die auf Phasenaufprägung zurückgeführte Ablenkung von Signalstrahlpulsen während der Speicherungsphase in Anwesenheit eines inhomogenen Magnetfeldes untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Dispersion im Vergleich zur Stern-Gerlach-artigen Ablenkung in Experimenten mit kontinuierlich eingestrahlten Signalfeldern um mehrere Größenordnungen unterdrückt wird. Das durchgeführte Experiment lässt sich als grundsätzliche Demonstration eines nichtdispersiven optischen Elements interpretieren und stellt einen Ansatz zur Implementierung von optisch kontrollierten Linsen, Deflektoren oder adaptiven Optiken dar. Systeme mit einer sehr niedrigen Grundzustandsdekohärenz, die lange Speicherungsphasen ermöglichen, könnten sich außerdem für den Einsatz als magnetische Gradiometer eignen. Derart aufgebaute Vorrichtungen könnten in Zukunft ebenso von Speicherungstechniken für nichtklassische Lichtzustände profitieren wie Magnetometer oder Atomuhren auf Basis der Frequenzanpassung. Anwendungen im Bereich der Quantenspeicherung sind ebenfalls denkbar, wo die demonstrierte Methode möglicherweise zur Adressierung paralleler Kanäle dienen könnte. Eine Beschreibung aktuell durchgeführter, noch nicht abgeschlossener, Experimente, die auf den Nachweis des Aharonov-Casher-Effekts für langsames Licht abzielen, ist Gegenstand des abschließenden Teils dieser Arbeit. Erste Ergebnisse, die mit Dunkelzustandspolaritonen im Dreibeinsystem erzielt wurden, werden vorgestellt und im Hinblick auf die Vorhersagen eines theoretischen Modells diskutiert.
Bei der theoretischen Beschreibung von spektroskopischen Experimenten wird in der Regel das Materiesystem quantenmechanisch beschrieben, während das Strahlungsfeld klassisch behandelt wird. Diese semiklassische Näherung ist zur Beschreibung von Experimenten, bei denen eine starke Kopplung zwischen dem Matriesystem und einzelnen Photonen besteht, nicht mehr gültig. Dies kann beispielsweise innerhalb eines optischen Resonators der Fall sein. In dieser Arbeit wird am Beispiel eines Pump-Test- Experiments zum Nachweis des optischen Stark-Effekts untersucht, welche zusätzlichen Effekte sich bei einer quantisierten Beschreibung des Strahlungsfeldes ergeben. Ein signifikanter Effekt ist, dass die Photonenstatistik des Pumpfeldes sich in der Linienform der verschobenen Resonanzlinie widerspiegelt. Weiter wurde in dieser Arbeit bei kleiner Pumpverstimmung ein Verstärkungseffekt gefunden, der ebenfalls auf der quantisierten Behandlung des Strahlungsfeldes beruht (nichtklassische Verstärkung). Es treten ferner bei grosseren Ensemblen von Zwei-Niveau -Systemen zusätzliche Unterstrukturen und Resonanzen auf. Auch kann der Nachweis des optischen Stark-Effekts Aufschluss über die Nichtdiagonalelemente bezüglich der Photonenzahl des quantisierten Pumpfeldes geben.Im Hinblick auf die Beschreibung komplexer Materiesystemen wurde in dieser Arbeit auch eine näherungsweise Berechnung der Testabsorption mit quantisiertem Strahlungsfeld im Rahmen einer Dichtematrixtheorie untersucht. Insbesondere war hier für die quantitative Beschreibung der nichtklassischen Verstärkung eine Berücksichtigung hoherer Korrelationen zwingend erforderlich. Auch wurden näherungsweise Entkopp- lungen unter Berücksichtigung der Erhaltungsgrossen durch- geführt. Die Dichtematrixtheorie wurde auf die Untersuchung des optischen Stark-Effektes an storstellengebundenen Exzitonen in Halbleitern angewandt. Da diese Resonanzen vergleichsweise kleine homogene und inhomogene Linienbreiten aufweisen,ist hier experimentell zu erwarten, dass sich feine Effekte des quantisierten Pumpfeldes bemerkbar machen konnen.
Motiviert durch den exponentiellen Anstieg der Rechenkapazität den Quantenalgorithmen ermöglichen, hat sich die Quanteninformationsverarbeitung als ein neues, sich rasant entwickelndes Forschungsfeld etabliert. Die Kodierung von Information erfolgt dabei in als Qubits bezeichneten Zwei-Zustands-Systemen, wie sie in einer Vielzahl quantenmechanischer Systeme vorliegen. Ein vielversprechender Ansatz basiert auf neutralen Atomen in Dipolfallen, die sich aufgrund ihrer geringen Wechselwirkung gut von der Umwelt isolieren lassen und mit ihren internen Zuständen ein geeignetes Quantensystem darstellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden wichtige Teilschritte für die Implementierung der Quanteninformationsverarbeitung in zweidimensionalen Dipolfallenregistern realisiert. So konnten erstmals die Unterdrückung von Dephasierung, die simultane Adressierung individueller Qubits sowie das kontrollierte Laden und die Detektion einzelner Atome gezeigt werden. Das verwendete Dipolfallenregister wird über die homogene Ausleuchtung von Mikrolinsenregistern erzeugt und zeichnet sich durch eine simple und reproduzierbare Handhabung sowie durch seinen skalierbaren Charakter aus. Ein Fallenabstand von 55 μm erlaubt eine räumliche Auflösung einzelner Qubits mithilfe optischer Verfahren. Als Qubit-Zustände dienen die beiden Hyperfeinniveaus des Grundzustandes von 85Rb. Die kohärente Kopplung beider Niveaus erfolgt über einen optischen Zwei-Photonen-Raman-Prozess, mit dem sich beliebige Ein-Qubit-Operationen realisieren lassen. Wesentliche Erfolge konnten in dieser Arbeit bei der Minimierung der Dephasierung durch den von der Dipolfalle induzierten differentiellen Stark-Effekt erzielt werden. Zur Unterdrückung dieser Dephasierung wird die differentielle Stark-Verschiebung mittels eines weiteren, nahresonanten Lichtfeldes kompensiert. Durch diese Kompensation kann die effektive Hyperfeinaufspaltung von der Fallentiefe entkoppelt werden. Die so induzierte Unterdrückung der Dephasierung ermöglicht eine synchronisierte Phasenentwicklung der atomaren Qubit-Zustände. Unter Verwendung von Ramsey-Techniken konnte die spektroskopische Auflösung der Hyperfeinaufspaltung dadurch um einen Faktor 70 verbessert werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt in der Quanteninformationsverarbeitung besteht in der kontrollierten Initialisierung und Adressierung der Qubits. In dieser Arbeit gelang erstmals die simultane Ansteuerung individueller Qubits mittels eines zweidimensionalen Intensitätsmodulators. Mit diesem Intensitätsmodulator können in Kombination mit mikrooptischen Komponenten sowohl flexible Fallengeometrien, als auch fallenspezifische, räumlich separierte kohärente Manipulationen stabil und zugleich variabel realisiert werden. Die Kontrolle einzelner Atome ist in vielen Ansätzen für die Realisierung von Zwei-Qubit- Wechselwirkungen essentiell. Erstmals wurde in dieser Arbeit das Laden einzelner Atome sowie deren Detektion im Dipolfallenregister gezeigt. Durch eine Änderung des Volumens der Dipolfallen konnte der Übergang zwischen einer statistischen Poisson-verteilten Atomzahl in den einzelnen Fallen zu einer stark Sub-Poisson-verteilten Atomzahl mit maximal einem Atom pro Falle erreicht werden. Lichtinduzierte Zwei-Körper-Verluste führen zu einer Blockade, die eine mittlere Atomzahl von 〈N〉 = 0,5 mit keinem oder exakt einem Atom pro Falle bewirkt. Dieses Blockaderegime erweist sich im untersuchten Bereich als unabhängig von der Laderate und Tiefe der Fallen und ermöglicht das gleichmäßige
Die Entwicklung der Methoden zur Laserkühlung von Atomen hat in den letzten 15 Jahren vielfältige wissenschaftliche Fortschritte erzielt. Ein sich dabei in den letzten Jahren neu entwickelndes Feld ist die Kombination der Laserkühlung mit der zustandsselektiven Anregung von Atomen in Rydberg-Zustände. Ein solches System wird als "gefrorenes Rydberg-Gas" bezeichnet. Dieser Name reflektiert die Tatsache, dass die Experimente mit diesen gekühlten Atomen auf einer Zeitskala ablaufen, auf der die thermische Bewegung zu vernachlässigen ist und nur die Wechselwirkung der Atome untereinander relevant ist. Gelingt es, solche kalten Rydberg-Atome in periodischen Potentialen zu speichern, so ergeben sich Möglichkeiten, dieses System für die Quanteninformationsverarbeitung (QIV) zu nutzen. Zur Untersuchung solcher Systeme wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neuer experimenteller Aufbau konzipiert und realisiert. Die dazu aufgebaute Apparatur wurde charakterisiert, indem Untersuchungen zur Laserkühlung von aus einem Dispenser emittierten 87Rb-Atomen in einer magneto-optischen Falle (MOT) durchgeführt wurden. Die hierbei gekühlten Atome wurden anschließend in eine Magnetfalle in Drahtfallengeometrie transferiert und konnten dort magnetisch gespeichert werden. Zur Speicherung von ultrakalten Atomensembles in periodischen Strukturen wurden die Möglichkeiten untersucht, aus periodisch angeordneten stromtragenden Leitern ein Gitter von zwei Magnetfallentypen (Quadrupol- und Ioffe-Pritchard-Fallen) zu konstruieren. Hierzu wurden aufbauend auf einzelnen Segmenten die Möglichkeiten der Konstruktion von Gittern untersucht. Diese Gitter erlauben es, drei verschiedene Grundkonfigurationen von Fallen mit unterschiedlichen Eigenschaften aufzubauen, die theoretisch erläutert werden. Dabei wird auch eine experimentelle Realisierung solcher Gitter mit Quadrupol-Fallen vorgestellt. Hierbei wurde ein Gitter von 4 MOTs experimentell realisiert und untersucht. Im letzten Teil der Arbeit werden Experimente zur 2-Photonen Rydberg-Anregung und hochauflösenden Rydberg-Spektroskopie von 87Rb-Atomen vorgestellt. Hierbei wird zunächst das verwendete Anregungs- und Detektionsschema der Atome erläutert, gefolgt von Untersuchungen zur Stabilität und Leistungsfähigkeit des Lasersytems zur Rydberg-Anregung. Hierzu wurden hochauflösende Spektren in der Umgebung der beiden 41D-Feinstrukturzustände von 87Rb in Abhängigkeit vom elektrischen Feld aufgenommen und die feldabhängige Aufspaltung der Zustände untersucht. Zur Realisierung der erläuterten Schemata zur QIV ist es nötig, einzelne oder Ensembles von Atomen gezielt orts- und zustandsselektiv in Rydberg-Zustände anregen zu können. Erste Demonstrationsexperimente hierzu werden präsentiert. Abschließend wird über die Messung der Rabifrequenz durch Untersuchung der Autler-Townes-Aufspaltung des an das Lichtfeld gekoppelten 5S1/2->5P3/2-Übergangs berichtet.