Licht wird meistens als elektromagnetische Welle beschrieben, die bezüglich ihrer Ausbreitungsrichtung transversal polarisiert ist. Diese Beschreibung ist für Lichtfelder, die lateral stark eingeschlossen sind aber nicht mehr zutreffend. Solche Lichtfelder weisen eine longitudinale Komponente in ihrem elektrischen Feld auf. Wenn dies der Fall ist, sind Spin- und Bahndrehimpuls des Lichtfeldes gekoppelt. Sie sind damit keine voneinander unabhängigen Größen mehr, was dazu führt, dass zum Beispiel der lokale Spindrehimpuls von der Ausbreitungsrichtung des Lichtfeldes abhängt. In dieser Arbeit wird die Wechselwirkung von Atomen, die an einer Nanofaser gefangen sind, und Licht, das Spin-Bahn-Kopplung aufweist, untersucht. In unserem System wird durch die Nanofaser eine Schnittstelle zwischen neutralen Cäsium-Atomen und dem evaneszenten Feld der stark geführten optischen Moden realisiert. Mit Hilfe einer optischen Zweifarben-Falle, die auf Dipolkräften beruht, sind die Atome nahe der Oberfläche der Nanofaser in zwei diametral gegenüberliegenden Reihen gefangen. Die besondere Polarisation des evaneszenten Feldes ermöglicht es, die beiden atomaren Ensembles gleichzeitig durch optisches Pumpen in unterschiedliche Zeeman-Zustände zu bringen. In dieser Arbeit wird außerdem gezeigt, dass die zustandsabhängige Verschiebung der Energieniveaus, die durch fiktive Magnetfelder induziert wird, von der räumlichen Position der Atome abhängt. Dies ermöglicht die unabhängige und kohärente Manipulation der beiden atomaren Ensembles mit Mikrowellenstrahlung. Photonen, die von den Atomen gestreut werden, koppeln durch die Spin-Bahn-Wechsel-wirkung von Licht unterschiedlich stark an Moden, die sich in entgegengesetzter Richtung in der Nanofaser ausbreiten. Hier wird gezeigt, dass diese Asymmetrie der Streuraten in die beiden Ausbreitungsrichtungen höher als 10:1 sein kann. Die Asymmetrie kann man abhängig von der Polarisation des anregenden Lichtfeldes sowie des inneren Zustandes der Atome beeinflussen. Hinzu kommt, dass die Spin-Bahn-Wechselwirkung von Licht in unserem System dazu führen kann, dass Lichtfelder abhängig von ihrer Ausbreitungsrichtung durch die Nanofaser unterschiedlich stark transmittiert werden. Basierend auf diesem Effekt wird gezeigt, dass eine optische Diode im Nanomaßstab realisiert werden kann, die auch mit einzelnen Photonen noch funktioniert.
Licht wird meistens als elektromagnetische Welle beschrieben, die bezüglich ihrer Ausbreitungsrichtung transversal polarisiert ist. Diese Beschreibung ist für Lichtfelder, die lateral stark eingeschlossen sind aber nicht mehr zutreffend. Solche Lichtfelder weisen eine longitudinale Komponente in ihrem elektrischen Feld auf. Wenn dies der Fall ist, sind Spin- und Bahndrehimpuls des Lichtfeldes gekoppelt. Sie sind damit keine voneinander unabhängigen Größen mehr, was dazu führt, dass zum Beispiel der lokale Spindrehimpuls von der Ausbreitungsrichtung des Lichtfeldes abhängt. In dieser Arbeit wird die Wechselwirkung von Atomen, die an einer Nanofaser gefangen sind, und Licht, das Spin-Bahn-Kopplung aufweist, untersucht. In unserem System wird durch die Nanofaser eine Schnittstelle zwischen neutralen Cäsium-Atomen und dem evaneszenten Feld der stark geführten optischen Moden realisiert. Mit Hilfe einer optischen Zweifarben-Falle, die auf Dipolkräften beruht, sind die Atome nahe der Oberfläche der Nanofaser in zwei diametral gegenüberliegenden Reihen gefangen. Die besondere Polarisation des evaneszenten Feldes ermöglicht es, die beiden atomaren Ensembles gleichzeitig durch optisches Pumpen in unterschiedliche Zeeman-Zustände zu bringen. In dieser Arbeit wird außerdem gezeigt, dass die zustandsabhängige Verschiebung der Energieniveaus, die durch fiktive Magnetfelder induziert wird, von der räumlichen Position der Atome abhängt. Dies ermöglicht die unabhängige und kohärente Manipulation der beiden atomaren Ensembles mit Mikrowellenstrahlung. Photonen, die von den Atomen gestreut werden, koppeln durch die Spin-Bahn-Wechsel-wirkung von Licht unterschiedlich stark an Moden, die sich in entgegengesetzter Richtung in der Nanofaser ausbreiten. Hier wird gezeigt, dass diese Asymmetrie der Streuraten in die beiden Ausbreitungsrichtungen höher als 10:1 sein kann. Die Asymmetrie kann man abhängig von der Polarisation des anregenden Lichtfeldes sowie des inneren Zustandes der Atome beeinflussen. Hinzu kommt, dass die Spin-Bahn-Wechselwirkung von Licht in unserem System dazu führen kann, dass Lichtfelder abhängig von ihrer Ausbreitungsrichtung durch die Nanofaser unterschiedlich stark transmittiert werden. Basierend auf diesem Effekt wird gezeigt, dass eine optische Diode im Nanomaßstab realisiert werden kann, die auch mit einzelnen Photonen noch funktioniert.
Ultra-dünne Glasfasern haben sich in den vergangenen Jahren als eine vielseitige Licht-Materie Schnittstelle erwiesen, bei der sich eine Fülle an nano-optischen Phänomenen mit guter experimenteller Handhabung verbinden. In diesem Zusammenhang wurde 2010 erstmals eine Dipolfalle für lasergekühlte Atome demonstriert, basierend auf dem evaneszenten Feld einer solchen Nanofaser. Seitdem wurde ein reichhaltiger Werkzeugkasten zur Kontrolle und Manipulation dieser faser-gefangenen Ensembles entwickelt. Insbesondere ermöglicht diese Schnittstelle Zu gang zu optischen Nichtlinearitäten welche sich auch noch auf dem Level einzelner Photonen auswirken. Dies warf die Frage nach der Realisierung nicht-klassischer Zustände auf, etwa von gequetschtem Licht. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein neuer experimentel ler Aufbau zum Fangen von laser-gekühlten Cäsium-Atomen im evaneszenten Feld einer Nanofaser geschaffen. Im ersten Teil der Arbeit beschreibe ich die Planung und Konstruktion des Experimentes und weise experimentell nach, dass Atome gefangen werden. Der Aufbau beinhaltet eine Reihe technischer Verbesserungen im Vergleich zu bisherigen nanofaser-basierten Dipol fallen. Dazu zählen die Verwendung sogenanter magischer Wellenlängen, welche die spektrale Verbreiterung des gefangenen Ensembles reduzieren, verbesserter optischer Zugang dank der Verwendung einer Glass-Vakuumküvette, sowie ein transversal beweglicher Faserhalter zur Op timierung des Überlapps zwischen Atomwolke und der Taille der Nanofaser. Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die experimentelle Beobachtung von gequetschtem Licht, welches durch ein Ensemble von schwach gekoppelten Emittern realisiert wird. Dazu weise ich das Squeezing nach und untersuche die Skalierung desselben bezüglich Leistung und Verstimmmung des Testfeldes. Zudem wird gezeigt, wie sich das Spektrum des aus der Faser austretenden Feldes qualitativ mit der Anzahl der gefangenen Atome ändert. Insbesondere wird nachgewiesen, dass bei ausreichender Atomzahl Seitenbänder im Spektrum erzeugt werden. Die Erzeugung von gequteschtem Licht beruht in den meisten Fällen auf einer starken Nichtlinearität, welche durch optische Resonatoren oder nicht-lineare Kristalle gewährleistet wird. Die vorliegende Arbeit weist jedoch nach, dass gequetschtes Licht auch durch ein Ensemble von schwach gekoppelten Emittern erzeugt werden kann. Dadurch eröffnen sich neue Perspektiven für nicht-lineare Licht-Materie Schnittstellen, welche einen elementaren Baustein für zukünftige Quantennetzwerke darstellen.
Die Erzeugung korrelierter Photonen ist eine besondere Herausforderung der modernen Quantenoptik, da Photonen intrinsisch nicht miteinander wechselwirken. Die Wechselwirkungen zwischen unkorrelierten Photonen, verbunden mit dem Ziel komplexe Vielteilchenzustände von Photonen zu erzeugen, wird daher seit Langem angestrebt. Typischerweise erfordern solche Wechselwirkungen eine hohe Nichtlinearität, die durch stark an eine optische Mode gekoppelte Quantenemitter realisiert werden kann. Solche Ansätze werden jedoch oft durch unvermeidliche Dissipation in Form von Photonenverlust erheblich beeinträchtigt, was zu einer Reduktion der Korrelationen führt. In dieser Arbeit demonstriere ich einen experimentellen Ansatz, bei dem wir ein stark dissipatives Medium verwenden, welches schwach an ein Lichtfeld gekoppelt ist, um stark korrelierte Lichtzustände zu erzeugen. Das Herz unseres Systems ist eine optische Nanofaser, deren Durchmesser kleiner ist als die Lichtwellenlänge. An dieser Nanofaser fangen wir neutrale Cäsiumatome in zwei 1-dimensionalen Gittern, die durch eine optische Zweifarben-Dipolfalle erzeugt werden. Die nicht miteinander wechselwirkenden gefangenen Atome koppeln schwach an die in der Nanofaser geführte Mode. Jedes Atom kann einen kleinen Bruchteil des Lichts aus der Faser heraus streuen, was den dissipativen Teil der Atom-Licht-Wechselwirkung darstellt. Dadurch wird die Anzahl unkorrelierter Photonen reduziert. Die Tatsache, dass ein Atom immer nur ein Photon zur gleichen Zeit absorbieren kann, erzeugt jedoch Korrelationen zwischen Photonen, die zur gleichen Zeit am Atom ankommen. Die gestreuten Photonen sind spektral verstimmt und werden daher weniger absorbiert. Die große Anzahl von Atomen im System verstärkt die dissipativen und nichtlinearen Effekte, was zu stark korrelierten Photonen am Ausgang der Nanofaser führt.Wir messen die im transmittierten Lichtfeld induzierten Korrelationen zweiter Ordnung mit Hilfe eines Hanbury-Brown-Twiss-Aufbaus. Dafür senden wir ein schwaches resonantes Lichtfeld durch die Nanofaser, wo es mit einem Ensemble schwach-gekoppelter Atome wechselwirkt. Wir beobachten, dass wir durch Änderung der Anzahl der Atome im Ensemble die Wechselwirkung zwischen den Photonen von “nicht-wechselwirkend“ über “abstoßend“ bis “attraktiv“ einstellen können, was sich in den Messdaten durch den Übergang von “no bunching“ zu “antibunching“ zu “bunching“ äußert. Diese Realisierung einer kollektiv erhöhten Nichtlinearität eröffnet neue Wege zur Erzeugung nicht-klassischer Lichtzustände.
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.
In dieser Doktorarbeit wurde die Wechselwirkung zwischen Elektronen in einem getriebenen Doppelquantenpunkt und seiner Umgebung untersucht.Ein Quantenpunkt ist eine nanoskopische Struktur, in der Elektronen in allen drei Raumrichtungen lokalisiert sind, sodass sie ähnlich wie in einem Atom ein diskretes Energiespektrum aufweisen.Dieses System kann benutzt werden, um fundamentale Quanteneigenschaften wie den Elektronenspin oder Superpositionszustände im Festkörper zu untersuchen.Die hier betrachteten Quantenpunkte wurden mittels Feldeffekt elektrostatisch in einem zweidimensionalen Elektronensystem basierend auf einer GaAs/AlGaAs-Heterostruktur defininiert.Diese Methode erlaubt Kontrolle über das Einschlusspotential der Elektronen, da die Elektrostatik über Spannungen an metallischen Gattern während des Experiments beeinflusst werden kann, sowie die direkte Messung von Elektronentransport durch die Quantenpunkte.In dieser Arbeit wurde ein System von zwei zu einem Doppelquantenpunkt gekoppelten Quantenpunkten studiert.Das theoretische Konzept des quantenmechanischen Zwei-Niveau-Systems kann durch bestimmte Kombinationen der Molekülzustände im Doppelquantenpunkt in guter Näherung realisiert werden.Doppelquantenpunkte stellen daher ein mögliches System zur Implementierung von Qubits im Kontext der Quanteninformationsverarbeitung dar.Da das Zwei-Niveau-System von seiner Umgebung jedoch nicht völlig isoliert ist, spielen Wechselwirkungen für die Zeitentwicklung des Quantenzustands im Festkörper eine wichtige Rolle.Der erste Teil der Arbeit untersucht die Wechselwirkung von Zwei-Elektron-Spinzuständen in einem inhomogenen, d.h.am Ort der beiden Quantenpunkte unterschiedlichen, Magnetfeld.Dieses inhomogene Magnetfeld wurde erstmalig mit zwei eindomänigen magnetischen Gattern realisiert und mittels direkter Strommessung sowie Elektronspin-Resonanz charakterisiert.Da die Atome des GaAs-Kristalls, in dem der Doppelquantenpunkt realisiert ist, einen Kernspin aufweisen, können Elektronen in einem Quantenpunkt mit typischerweise 10 6 Kernspins über Hyperfeinwechselwirkung interagieren.Unter bestimmten Bedingungen können die Kernspins durch die Hyperfeinwechselwirkung dynamisch polarisiert werden, was im Hinblick auf die Wechselwirkung mit den Elektronen in semiklassischer Näherung als effektives Magnetfeld beschrieben werden kann.Wegen des komplexen elektronischen Spektrums der Quantenpunkte und der Vielzahl an Kernspins ergibt sich hieraus eine bislang noch nicht vollständig verstandene Dynamik, die zu verschiedenen Fixpunkten in der Polarisationsdynamik führt.Es gelang, verschiedene Fixpunkte durch Messung des effektiven Magnetfeldes mittels Elektronspin-Resonanz zu charakterisieren und mit ihrer Hilfe eine hohe Kernspin-Polarisation direkt nachzuweisen.Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einem Qubit bestehend aus zwei gekoppelten Ladungszuständen, die mithilfe einer periodischen Gatterspannungsmodulation durch Landau-Zener-Übergänge in Superposition gebracht wurden.Die dadurch entstehenden Landau-Zener-Stückelberg-Majorana-Interferenzmuster wurden durch die Dekohärenz des Zwei-Niveau-Systems modifiziert.Es konnte gezeigt werden, dass die Ladungszustände in Quantenpunkten in erster Linie an Ladungsfluktationen in ihrer Nähe, sowie an das Phononenspektrum des Kristalls koppeln.Über ein theoretisches Modell, das die beiden auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen stattfindenden Wechselwirkungen berücksichtigt, konnten die Interferenzmuster im Detail analysiert und die Kohärenzzeit des individuellen Qubits und die Dephasierung des Zeitensembles getrennt bestimmt werden, ohne dass auf eine experimentell kompliziertere Echomessung zurückgegriffen werden musste.Darüber hinausgehend wurde der Einfluss von komplexeren Antrieben auf das Interferenzmuster am Beispiel von bichromatischen Antrieben mit unterschiedlichen Frequenzverhältnissen und Phasenbeziehungen untersucht.Die Symmetrieeigenschaften der unterschiedlichen Interferenzmuster konnten auf die des jeweils zugrunde liegenden Antriebs zurückgeführt werden.
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.
Selbst-organisierte Halbleiter Quantenpunkte stellen eine dreidimensionale, räumliche Eingrenzung für Ladungsträger im Festkörpersystem dar.Diese Eingrenzung verändert die Zustandsdichte, was zu atomartigen optischen Eigenschaften von Quantenpunkten führt, die mit Hilfe von absorbierten oder emittierten Photonen untersucht werden können.Aufgrund der scharfen Resonanzlinien, die in optischen Spektren beobachtet werden, bezeichnet man Quantenpunkte auch oft als künstliche Atome.Selbst-organisierte Quantenpunkte sind jedoch Halbleiter Nanostrukturen, die in einem Festkörperkristall eingebettet sind.Dadurch werden ihre physikalischen Eigenschaften von ihrer Natur als Festkörper gegeben.Durch die geeignete Herstellung von Halbleiter Heterostrukturen in die die Quantenpunkte eingebettet sind, können ladungsdurchstimmbare Systeme erzeugt werden.Dies bedeutet, dass der Quantenpunkt kontrolliert mit einzelnen Elektronen geladen werden kann, indem eine Spannung an die Probe angelegt wird.Darüber hinaus kann die Probe so konstruiert werden, dass die Quantenpunktzustände an Kontinuumszustände gekoppelt sind, die sich in der Nähe das Quantenpunkts befinden.In dieser Arbeit werden sowohl die atomartigen Eigenschaften der einzelnen ladungsdurchstimmbaren Quantenpunkte als Zwei-Niveau System, als auch deren Festkörpereigenschaften untersucht.Dieses führt einerseits zur Beobachtung der Rabi-Aufspaltung der Quantenpunktzustände, einem typischen Merkmal eines Zwei-Niveau Systems.Andererseits führt die Tunnelkopplung der Quantenpunktzustände an ein Kontinuum in der Heterostruktur, zur Beobachtung des nichtlinearen Fano-Effekts.Dieser Effekt kann an Quantenpunkten in einem neuen, nichtlinearen Bereich untersucht werden, der in der Atomspektroskopie nicht so einfach zugänglich ist.Darüberhinaus wird die Dynamik von einzelnen Elektronen-oder Loch-Spins in einem Quantenpunkt untersucht.Hier spielt wieder der Festkörpercharakter der Quantenpunkte eine entscheidende Rolle, wie zum Beispiel in einem Einzel-Elektronen-Spin Resonanz Experiment gezeigt wird, welches an Quantenoptische Experimente aus der Atomoptik angelehnt ist.Hierbei zeigt sich, dass in einem Halbleiter Quantenpunkt, die Spin Dynamik von Elektronen oder Löchern von der Kopplung an ein Elektronen Reservoir und letztendlich von der Hyperfeinwechselwirkung dominiert ist.Die Experimente in dieser Arbeit wurden mit beugungsbegrenzten Tieftemperaturmikroskopen durchgeführt.Diese Mikroskope wurden entwickelt um ein magnetisches Feld parallel oder senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung anlegen zu können.Die Probe wurde in flüssigem Helium auf eine Temperature von 4.2 K gekühlt.Um die natürliche Linienbreite (1 -2 μeV) der exzitonischen Übergänge in einem Quantenpunkt auflösen zu können wurde resonante Rayleigh Streuung angewendet.Diese Methode wird zum ersten Mal auf neutrale, negativ sowie positiv geladene Zustände ein und desselben Quantenpunkts angewandt.Darüber hinaus wird in v diese Arbeit vorgestellt, wie Elektronen oder Löcher durch optisches Pumpen in einem Nichtgleichgewichtszustand gespeichert werden können.Dies erlaubt die nahezu perfekte Ausrichtung des Elektronen-oder Loch-Spins in einem Quantenpunkt, parallel oder antiparallel zu einem angelegten magnetischen Feld.vi