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.
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.
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.
Zusammenfassung Innerhalb der modernen Atomphysik hat sich die Atomoptik als ein zentrales Forschungsfeld etabliert.Insbesondere die Atomlithographie, die eine der bedeutendsten Anwendungen der Atomoptik ist, und atomare Leiterstrukturen nehmen dabei eine herausragende Stellung ein.Während alle bisherigen Experimente auf dem Gebiet der Atomlithographie stets mit thermischen Atomstrahlen durchgeführt wurden, demonstriert die vorliegende Arbeit den erstmaligen Einsatz eines abgebremsten Atomstrahles für die Atomlithographie, woraus sich für dieses Verfahren innovative Perspektiven ergeben.Darüber hinaus befaßt sich diese Arbeit auch mit der Entwicklung magnetischer Leiterstrukturen, die sich als ein flexibles neues atomoptisches Element zur Manipulation langsamer Strahlen erweisen.Im Rahmen des Forschungsschwerpunktes Atomlithographie wurden sowohl verschiedenartige Resists für Ne* als auch der Einsatz von Lichtkräften zur Nanostrukturierung charakterisiert und bewertet.Zwei der untersuchten Resists stammten dabei aus dem Gebiet der SAMs (self-assembled monolayers).Hier konnte experimentell gezeigt werden, daß SAM-Schichten, die von Dodecanthiol-Molekülen bzw.von Octadecyltrichlorsilan-Molekülen (OTS) gebildet werden, durch Bestrahlung mit Ne* in geeigneter Weise verändert werden können.Im Falle des OTS gelang es sogar mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM), erstmalig in der Atomlithographie mit metastabilen Edelgasen einen direkten Topographiekontrast ohne jeglichen Ätzprozeß festzustellen.Dies erlaubt Rückschlüsse auf die Schädigung, die SAM-Schichten bei Bestrahlung mit Ne* erfahren.Weiterhin konnte auch die durch Ne* induzierte Abscheidung von Hintergrundgasmolekülen benutzt werden, um Ätzmasken zu erzeugen und damit Oberflächen zu strukturieren.Als Prototyp für ein atomoptisches Element, mit dem eine Fokussierung des Atomstrahles bis in den Nanometerbereich möglich ist, wurde eine optische Stehwelle untersucht.Zur theoretischen Simulation wurden sowohl klassische Trajektorienrechnungen als auch eine quantenmechanische Wellenpropagation benutzt.Schwierigkeiten, die sich bei der Fokussierung speziell eines langsamen Strahles ergaben, konnten durch die Entwicklung eines Verfahrens umgangen werden, welches zusätzlich zum Fokussieren auch einen Umpumpprozeß zwischen inneren Zuständen der Atome ("Quenching") verwendet.Die erfolgreiche Lokalisation von Atomen im Inneren einer solchen Stehwelle konnte experimentell sowohl indirekt mit Hilfe eines MCP-Detektors als auch direkt mit Hilfe der Atomlithographie nachgewiesen werden.Als neues und flexibles atomoptisches Element für langsame Atomstrahlen, welches sowohl für die Atomlithographie als auch für viele Grundlagenexperimente zukunftsweisend ist, wurden magnetische Leiterstrukturen entwickelt, eingesetzt und charakterisiert.Die zum Führen des Atomstrahles benutzten Magnetfelder wurden dabei durch stromdurchflossene Leiter erzeugt.Hiermit gelang es u.a., den Atomstrahl entlang eines s-kurvenförmigen Verlaufes mit Kurvenradien von 45 cm zu führen.Schließlich wurde auch eine Miniaturisierung solcher Leiter in Form von lithographisch auf einer Chipoberfläche aufgebrachten elektrischen Leiterbahnen demonstriert.Dies stellt einen ersten Schritt auf dem Weg zu integrierten atomoptischen Elementen dar, bei denen alle Komponenten eines Experimentes auf einem einzigen Chip integriert werden.Die vorliegende Arbeit dokumentiert damit nicht nur innovative Verfahren zur Nanostrukturierung von Oberflächen, sondern zeigt zudem auch zukünftige Wege für eine integrierte und kohärente Atomoptik mit weitreichenden Anwendungsgebieten auf.
Die Kontrolle und Beeinflussung von internen und translationalen atomaren Freiheitsgraden mit Hilfe der Atom-Laser Wechselwirkung ist ein entscheidendes experimentelles Werkzeug in modernen quantenoptischen Experimenten, das viele wichtige Anwendungen ermöglicht. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit theoretischen Untersuchungen, die neue Einsichten in einige Experimente auf diesem Gebiet geben.Im ersten Teil der Arbeit werden kooperative Effekte in der Fluoreszenz dipol-dipol-wechselwirkender Atome in einer Falle untersucht. Die berühmten makroskopischen Quantensprünge können bei einem einzelnen Atom mit einem metastabilen Niveau auftreten, wenn dieses mit Licht bestrahlt wird: Phasen mit konstanter Intensität und Phasen ohne spontane Emission wechseln einander in zufälliger Weise ab. Wenn zwei oder mehr Atome in der Falle gespeichert sind, treten Dunkelphasen und Phasen einfacher und mehrfacher Intensität auf, entprechend der Überlagerung der Fluoreszenz der Einzelatome. Die Statistik dieser Leuchtphasen kann durch die Dipol-Dipol-Wechselwirkung in empfindlicher Weise beeinflusst werden. Die Arbeit befasst sich mit der theoretischen Beschreibung dieser Effekte, insbesondere in Bezug auf scheinbar widersprüchliche experimentelle Ergebnisse in diesem Zusammenhang. Als ein wesentliches Resultat wird gezeigt, dass die hohe Rate von Doppel- und Dreifachsprüngen, die bei drei gespeicherten Ba+-Ionen beobachtet wurde, nicht der Dipol-Dipol-Wechselwirkung zugeschrieben werden kann.Im zweiten Teil der Arbeit wird die mögliche Verwendung eines auf evaneszenten Wellen beruhenden Atomspiegels als Apparatur zur Messung von Eigenschaften atomarer Wellenpakete untersucht. Die zugrundeliegende Idee entstammt einem Experiment, in dem ein solcher Spiegel für die zeitliche Interferenz einer Wolke von lasergekühlten Atomen benutzt wurde, die aus einer magneto-optischen Falle fallen gelassen wurden. Es wird ein Modell zur Untersuchung der atomaren Wellenfunktion mit Hilfe eines solchen Spiegels angegeben, und die Ergebnisse verschiedener Messanordnungen werden untersucht. Als Hauptresultat wird gezeigt, dass mit einem solchen Spiegel das Betragsquadrat einer ausgedehnten Wellenfunktion abgetastet werden kann. Dies eröffnet eine realistische Mglichkeit diese sonst experimentell nur schwer zugängliche Größe zu messen.
In der vorliegenden Arbeit wird über die erstmalige kontinuierliche Auskopplung von Atomen aus einem atomaren Bose-Einstein-Kondensat berichtet. Es wurde so eine kohärente Strahlquelle für Materiewellen entwickelt, die aufgrund ihrer Analogie zu der Erzeugung von Licht in einem Laser als Atomlaser bezeichnet wird. In einer neu entwickelten magnetischen Ioffe-Falle mit einem äußerst stabilen Fallenpotential wurden dazu Bose-Einstein- Kondensate aus 87Rb Atomen erzeugt. Mit Hilfe von kontinuierlich eingestrahlten Radiofrequenzwellen konnte das gefangene kohärente Materiefeld eines Bose-Einstein-Kondensats lokal an die frei propagierenden Eigenzustände des Gravitationspotentials angekoppelt werden. Es wurde außerdem gezeigt, daß mit Hilfe dieser Meßmethode eine räumliche Spektroskopie und Manipulation der Kondensatwellenfunktion auf einer µm-Skala möglich ist. Mit dem Atomlaser wurden fundamentale Kohärenzeigenschaften eines Bose-Gases am Phasenübergang zur Bose-Einstein-Kondensation untersucht. Aus zwei Raumbereichen des gefangenen atomaren Gases wurden dazuMateriewellen ausgekoppelt und zur Überlagerung gebracht. Sind die von den beiden Raumbereichen ausgesandten Materiewellen phasenkohärent, so ergibt sich ein Materiewellen-Interferenzmuster. Aus dem Kontrast des Interferenzsignals konnten die Kohärenzeigenschaften des gefangenen Gases quantitativ bestimmt werden. Die Meßmethode läßt sich dabei in einer weitgehenden Analogie zu der räumlichen Kohärenzmessung von Licht in einem Doppelspalt-Experiment verstehen. In der Mitte des letzten Jahrhunderts wurde in der Theorie erkannt, daß die fundamentale Eigenschaft makroskopischer Quantenphänomene wie z. B. der Suprafluidität oder der Supraleitung eine langreichweitige Phasenkohärenz in den zugrundeliegenden Quantenfeldern ist. Nahezu 50 Jahre nach dieser Erkenntnis wurden die dramatischen Änderungen in den Kohärenzeigenschaften eines makroskopischen Quantensystems am Phasenübergang hier erstmals in einem Experiment quantitativ nachgewiesen. Für die zukünftige Anwendbarkeit des Atomlasers sind kohärenzerhaltende atomoptische Elemente wichtige Grundbausteine. Im letzten Teil der Arbeit werden neuere Messungen vorgestellt, bei denen mit Hilfe von Hyperfein-Raman-Übergängen in einem magnetischen Fallenpotential ein Spiegel, ein Strahlteiler und ein Resonator für den Atomlaser entwickelt wurden.
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.