(English) This thesis studies, using simulation and experiment, the motional dynamics of a single atom in an optical dipole trap. The optical dipole trap we study is a single-beam, red-detuned, far-off-resonance trap (FORT). This FORT is located at the centre of an arrangement of four high-NA lenses in the "Maltese cross'' geometry, which facilitates measurements based on atomic fluorescence. We make a detailed study, combining simulation with experimental measurements, of the temperature of the atom in this system. We note reasons why a single-temperature description could fail to describe the motional statistics of the atom in the trap. We then study the sensitivity of an established method, the release-and-recapture, to a possible anisotropic temperature distribution of the atom. We also measure the optical extinction produced by the atom, from which we extract a lower bound on the strength of interaction. Finally, we show with simulation results and experiments, how parametric excitation of the atom in the FORT can be used to manipulate its phase-space distribution, which can lead to an effective decrease or increase of the atom's kinetic energy. (Català) Aquesta tesi estudia, mitjançant simulació i experiments, la dinàmica del moviment d'un sol àtom en un parany de dipol òptic. El parany de dipol òptic que estudiem és un parany fora de ressonància (far-off-resonance trap, FORT) d'un sol feix, dessintonitzat cap al vermell. Aquesta FORT està situada en el centre de quatre lents d'alta obertura numèrica en la configuració “ Maltese cross” , que facilita els mesuraments basats en la fluorescència de l'àtom. Realitzem un estudi detallat, combinant simulacions i experiments, de la temperatura de l'àtom en aquest sistema. Assenyalem les raons per les quals el model de l'àtom amb una temperatura única pot fallar en descriure les estadístiques del seu moviment en el parany. A més, estudiem la sensibilitat del ja establert mètode “ release and recapture” a una possible distribució anisotròpica de la temperatura de l'àtom. També mesurem l'extinció òptica causada per l'àtom, a partir de la qual extraiem un limiti inferior de la força d'interacció. Finalment, vam demostrar amb resultats experimentals i de simulacions, com l'excitació paramètrica de l'àtom a la FORT pot ser utilitzada per a manipular la distribució del seu espai de fase, portant a una disminució o augment efectiu de la seva energia cinètica. (Español) Esta tesis estudia, mediante simulación y experimentos, la dinámica del movimiento de un solo átomo en una trampa de dipolo ´óptico. La trampa de dipolo óptico que estudiamos es una trampa fuera de resonancia (far-off-resonance trap, FORT) de un solo haz, desintonizado hacia el rojo. Esta FORT está ubicada en el centro de cuatro lentes de alta apertura numérica en la configuración “ Maltese cross” , que facilita las mediciones basadas en la fluorescencia del átomo. Realizamos un estudio detallado, combinando simulaciones y experimentos, de la temperatura del átomo en este sistema. Señalamos las razones por las que el modelo del átomo con una temperatura única puede fallar al describir las estadísticas de su movimiento en la trampa. Además, estudiamos la sensibilidad del ya establecido método “ release and recapture” a una posible distribución anisotrópica de la temperatura del átomo. También medimos la extinción óptica causada por el átomo, a partir de la cual extraemos un limite inferior de la fuerza de interacción. Finalmente, demostramos con resultados experimentales y de simulaciones, cómo la excitación paramétrica del átomo en la FORT puede ser utilizada para manipular la distribución de su espacio de fase, llevando a una disminución o aumento efectivo de su energía cinética.
(English) This thesis studies, using simulation and experiment, the motional dynamics of a single atom in an optical dipole trap. The optical dipole trap we study is a single-beam, red-detuned, far-off-resonance trap (FORT). This FORT is located at the centre of an arrangement of four high-NA lenses in the "Maltese cross'' geometry, which facilitates measurements based on atomic fluorescence. We make a detailed study, combining simulation with experimental measurements, of the temperature of the atom in this system. We note reasons why a single-temperature description could fail to describe the motional statistics of the atom in the trap. We then study the sensitivity of an established method, the release-and-recapture, to a possible anisotropic temperature distribution of the atom. We also measure the optical extinction produced by the atom, from which we extract a lower bound on the strength of interaction. Finally, we show with simulation results and experiments, how parametric excitation of the atom in the FORT can be used to manipulate its phase-space distribution, which can lead to an effective decrease or increase of the atom's kinetic energy. (Català) Aquesta tesi estudia, mitjançant simulació i experiments, la dinàmica del moviment d'un sol àtom en un parany de dipol òptic. El parany de dipol òptic que estudiem és un parany fora de ressonància (far-off-resonance trap, FORT) d'un sol feix, dessintonitzat cap al vermell. Aquesta FORT està situada en el centre de quatre lents d'alta obertura numèrica en la configuració “ Maltese cross” , que facilita els mesuraments basats en la fluorescència de l'àtom. Realitzem un estudi detallat, combinant simulacions i experiments, de la temperatura de l'àtom en aquest sistema. Assenyalem les raons per les quals el model de l'àtom amb una temperatura única pot fallar en descriure les estadístiques del seu moviment en el parany. A més, estudiem la sensibilitat del ja establert mètode “ release and recapture” a una possible distribució anisotròpica de la temperatura de l'àtom. També mesurem l'extinció òptica causada per l'àtom, a partir de la qual extraiem un limiti inferior de la força d'interacció. Finalment, vam demostrar amb resultats experimentals i de simulacions, com l'excitació paramètrica de l'àtom a la FORT pot ser utilitzada per a manipular la distribució del seu espai de fase, portant a una disminució o augment efectiu de la seva energia cinètica. (Español) Esta tesis estudia, mediante simulación y experimentos, la dinámica del movimiento de un solo átomo en una trampa de dipolo ´óptico. La trampa de dipolo óptico que estudiamos es una trampa fuera de resonancia (far-off-resonance trap, FORT) de un solo haz, desintonizado hacia el rojo. Esta FORT está ubicada en el centro de cuatro lentes de alta apertura numérica en la configuración “ Maltese cross” , que facilita las mediciones basadas en la fluorescencia del átomo. Realizamos un estudio detallado, combinando simulaciones y experimentos, de la temperatura del átomo en este sistema. Señalamos las razones por las que el modelo del átomo con una temperatura única puede fallar al describir las estadísticas de su movimiento en la trampa. Además, estudiamos la sensibilidad del ya establecido método “ release and recapture” a una posible distribución anisotrópica de la temperatura del átomo. También medimos la extinción óptica causada por el átomo, a partir de la cual extraemos un limite inferior de la fuerza de interacción. Finalmente, demostramos con resultados experimentales y de simulaciones, cómo la excitación paramétrica del átomo en la FORT puede ser utilizada para manipular la distribución de su espacio de fase, llevando a una disminución o aumento efectivo de su energía cinética.
This thesis reports on theory and results from two experiments related to nonlinear behaviour in ensembles of optically-trapped ultracold atoms. The first experiment, performed at ICFO in Barcelona, regards the prediction and measurement of strong ac Stark shifts (light shifts). We present a numerical method based on Floquet's theorem for calculating light shifts to all orders with fewer approximations than the usual calculation based on second-order perturbation theory. The method is experimentally validated by performing absorption spectroscopy of a optically-trapped cloud of cold 87Rb atoms in three scenarios. 1) The atoms are trapped in a singly-polarised monochromatic dipole trap with a wavelength detuned aprox 30nm from the nearest atomic transition. 2) A bichromatic two-polarisation trap, where one wavelength is much closer to atomic transitions (aprox 0:01nm detuning), and finally 3) Another monochromatic trap but with the wavelength variable and scanned close to atomic transitions, again with aprox 0:01nm detuning but three times the intensity of the near-resonant light in the previous experiment, producing nonlinear light shifts of the D2 transition upto aprox 1 GHz. We discuss the potential application of the method to the accuratemeasurement of electric dipole transition matrix elements. The method is extendedto calculate atomic energy level shifts in the presence of light and staticmagnetic fields. The second experiment was performed at LENS in Florence, and involves 39K atoms with tunable interactions cooled into the ground- and first-excited state of a two-mode optical potential. We derive a diferential equation to describe behaviour of a two-mode quantum system with tunable interactions, and then solve it to model behaviour of the system in the three distinct regimes of attractive, zero, and repulsive interatomic interactions. With attractive interactions the system is shown to exhibit a quantum phase transition, and with repulsive interactions is shown to exhibit nonlinear dynamics, including behaviour analogous to a superconducting Josephson junction. As background material the thesis presents a summary of standard laser cooling and trapping echniques, namely Doppler cooling, o+ o- polarisation gradient cooling, magneto-optical trapping, and optical trapping. Optical traps are discussed in detail. We discuss relevant basic physics, derive and analyse a technique for using light shifts to characterise an optical trap, discuss optical Bose-Einstein condensation and control of light intensity to reduce noise-induced heating. Also described is a theoretical proposal for optical evaporation with a constant-depth trap. Esta tesis describe la investigación teórica y los resultados de dos experimentos relacionados con el comportamiento no lineal en un conjuntos de áatomos ultrafríos atrapados ópticamente. En el primer experimento, realizado en ICFO en Barcelona, se presenta la predicción y unos resultados de fuertes cambios de ac Stark (light shifts). Se explica un método numérico basado en el teorema de Floquet para calcular light shifts a todos órdenes con menos aproximaciones que el método habitualmente usado basado en teoría de perturbaciones de segundo orden. El método se valida experimentalmente mediante la realización de espectroscopía de absorción en una nube de átomos de 87Rb ópticamente atrapados en tres escenarios distintos. En el primero, los átomos están atrapados en una trampa de dipolo monocromática de polarización única con una longitud de onda desintonizada 30nm a la transición atómica más cercana. En el segundo se emplea una trampa bicromática de dos polarizaciones, donde una longitud de onda está mucho más cerca de las transiciones atámicas (0.01nm fuera de resonancia). En el tercer y ultimo escenario, se usa una trampa monocromática con la longitud de onda variable y escaneado cerca de transiciones atómicas, nuevamente con 0.01nm desintonizada pero tres veces más intensa que la luz casi resonante del experimento anterior, produciendo light shifts no lineales de la transición D2 hasta 1 GHz. Se discute la aplicabilidad del método para la medición precisa de los elementos de la matriz de transición dipolar eléctrica. Por último, el método se extiende permitiendo calcular los cambios de niveles de energía atómica en presencia de luz y campos magnéticos estáticos. El segundo experimento que se describe en esta tesis se realizó en LENS, en Florencia, e involucra átomos de 39K con interacciones sintonizables en átomos fríos ocupando al estado fundamental y el primer estado excitado de un potencial óptico de dos modos. Se deriva una ecuación diferencial para describir el comportamiento de un sistema cuántico de dos modos con nteracciones sintonizables. Esta se resuelve para modelar el comportamiento del sistema en tres regímenes distintos de interacciones inter-atómicas: atractivas, nulas y repulsivas. En el caso de interacciones atractivas se muestra que el sistema exhibe una transición de fase cuántica. En presencia de interacciones repulsivas el sistema muestra dinámica no lineal, incluyendo un comportamiento análogo a una unión superconductora de Josephson. Como material de referencia, la tesis presenta un resumen de las técnicas estándar de enfriamiento y atrapamiento láser, concretamente enfriamiento Doppler, enfriamiento por gradiente de polarización, atrapamiento magneto-óptico y atrapamiento óptico. Las trampas ópticas se revisan en detalle. Discutimos la física básica relevante, derivamos y analizamos una técnica para usar los light shift para caracterizar una trampa óptica. Analizamos la condensación óptica de Bose-Einstein y el control de la intensidad de la luz para reducir el calentamiento inducido por el ruido. También se presenta una propuesta teórica para la evaporación óptica con una trampa de profundidad constante.
(English) This thesis studies the statistics of light produced by a single trapped atom in free space when interfaced with two orthogonal coherent beams. The atom scatters light into the same spatial mode as a weak coherent probe beam, giving rise to controllable photon statistics. Being able to control the photon statistics of a source can be used in applications in where different photon statistics are desired. A single emitter in free space, when left to interact with a single pumping beam can only scatter one photon at any given moment leading to anti-bunched photon statistics. However, Goncalves et al. (2021) studied the possibility of interfacing the atom with a strong pumping beam, and a weak probing beam, leading to a controllable photon statistics, where super- and sub-Poissonian statistics can be achieved by varying either the pump-probe ratio or the relative pump-probe phase. By controlling the pump-probe ratio, it is also possible to control the probe transmission through the atom. The experimental implementation of the "GMC" scheme shows the predicted behaviour where the transmission can be suppressed to 62 %, and tuned by changing the pump-probe ratio. It also shows that the photon statistics can go from super- to sub-Poissonian by changing the relative pump-probe phase, and the photon bunching achieved is also pump-probe ratio dependent. In addition, measurements of the atom temperature are presented in this thesis, where the interference of the pump and probe beams on the atom lead to a direct measurements of the rms displacement of the atom within the trap, which is linked directly to the atom temperature. These measurements demonstrate a new non-destructive method of estimating the atom temperature. (Català) Aquesta tesi estudia l'estadística de la llum produïda per un sol àtom atrapat en l'espai lliure quan s'interconnecta amb dos feixos coherents ortogonals. L'àtom dispersa la llum en el mateix mode espacial que un feix de sondeig coherent i feble, la qual cosa dona lloc a una estadística de fotons que pot ser controlada. La capacitat de controlar l'estadística dels fotons d'una font pot ser útil per a aplicacions en les quals es desitgen fotons amb distint tipus d'estadística. Un únic emissor en l'espai lliure, quan es deixa interactuar amb un únic feix de bombament, només pot dispersar un fotó en un moment donat. Això dona lloc a una estadística de fotons anti-agrupats. Tanmateix, Goncalves et al. (2021) van estudiar la possibilitat d'interconnectar l'àtom amb un feix de bombament fort i un feix de sondeig feble, la qual cosa dona lloc a una estadística de fotons que pot ser controlada, en la qual es poden aconseguir estadístiques super-poissonianas i sub-poissonianas variant la relació entre el bombament i el sondeig o la fase relativa entre tots dos. En controlar la relació bombo-sondeig, també és possible controlar la transmissió del sondeig a través de l'àtom. La implementació experimental de l'esquema "GMC" mostra el comportament previst, en el qual la transmissió pot suprimir-se fins al 62 % i ajustar-se canviant la relació bombament-sondeig. També mostra que l'estadística dels fotons pot passar de super-poissoniana a sub-poissoniana canviant la fase relativa de bombament-sondejo, i que l'agrupament dels fotons aconseguit també depèn de la relació bombament-sondeig. A més, en aquesta tesi es presenta la mesura de la temperatura de l'àtom, en la qual la interferència dels feixos de bombament i sondeig en l'àtom condueix a mesuraments directes del desplaçament rms de l'àtom dins del parany, que està directament relacionat amb la temperatura de l'àtom. Aquests mesuraments demostren un nou mètode no destructiu per a estimar la temperatura de l'àtom. (Español) Esta tesis estudia la estadística de la luz producida por un solo átomo atrapado en el espacio libre cuando se interconecta con dos haces coherentes ortogonales. El átomo dispersa la luz en el mismo modo espacial que un haz de sondeo coherente y débil, lo que da lugar a una estadística de fotones que puede ser controlada. La capacidad de controlar la estadística de los fotones de una fuente puede ser útil para aplicaciones en las que se desean fotones con distinto tipo de estadística. Un único emisor en el espacio libre, cuando se deja interactuar con un único haz de bombeo, solo puede dispersar un fotón en un momento dado. Esto da lugar a una estadística de fotones anti-agrupados. Sin embargo, Goncalves et al. (2021) estudiaron la posibilidad de interconectar el átomo con un haz de bombeo fuerte y un haz de sondeo débil, lo que da lugar a una estadística de fotones que puede ser controlada, en la que se pueden lograr estadísticas super-poissonianas y sub-poissonianas variando la relación entre el bombeo y el sondeo o la fase relativa entre ambos. Al controlar la relación bombeo-sondeo, también es posible controlar la transmisión del sondeo a través del átomo. La implementación experimental del esquema "GMC" muestra el comportamiento previsto, en el que la transmisión puede suprimirse hasta el 62 % y ajustarse cambiando la relación bombeo-sondeo. También muestra que la estadística de los fotones puede pasar de super-poissoniana a sub-poissoniana cambiando la fase relativa de bombeo-sondeo, y que el agrupamiento de los fotones conseguido también depende de la relación bombeo-sondeo. Además, en esta tesis se presenta la medida de la temperatura del átomo, en la que la interferencia de los haces de bombeo y sondeo en el átomo conduce a mediciones directas del desplazamiento rms del átomo dentro de la trampa, que está directamente relacionado con la temperatura del átomo. Estas mediciones demuestran un nuevo método no destructivo para estimar la temperatura del átomo.
This thesis presents experiments concerning the preparation and manipulation of single neutral atoms in optical traps. The experimental setup as well as the properties of the optical dipole trap are described. The examination and control of all trapping parameters and heating effects is a prerequisite for the future realization of quantum gates. A magneto-optical trap captures and cools down a few cesium atoms. By efficiently detecting their fluorescence, we are able to determine their exact number. They are then transferred without loss into a standing-wave optical dipole trap. The temperature of the atoms in this trap is measured using two methods which are devised to work with small numbers of atoms: By adiabatically lowering the trap depth, an energy-selective loss of atoms is obtained, which yields the energy distribution of the atoms in the trap. Alternatively, the temperature is inferred from the size of the cloud and from the oscillation frequencies of the atoms in the dipole trap. The oscillation frequencies are determined using resonant and parametric excitation. Various intrinsic as well as technical heating mechanisms in the dipole trap are examined experimentally and theoretically. Finally, the setup of a miniature ultra-high finesse optical resonator is presented, which will be used to couple two trapped atoms via the exchange of a photon. The optical resonance frequency of the resonator is successfully stabilized to the atomic transition by an electronic servo loop.
(English) This thesis studies the use of a single trapped neutral 87Rb atom as a photon counter. Detection of quantum jumps (QJs), i.e., abrupt changes between atomic states observable by a change in atomic fluorescence, is used to infer the arrival of single photons. This is referred to as the quantum jump photodetection (QJPD) technique. The thesis first situates QJPD in the context of photodetection. Compared to traditional detectors, QJPD technique has lower speed and quantum efficiency (QE), but has exceptional performance in other figures of merit: QJPD is intrinsically narrowband, has strong out-of-band rejection, and very low dark counts (DCs). These features make the QJPD interesting for applications that detect weak optical signals in the presence of a strong broadband background. Experimental methods to study QJPD are described. A 87Rb atom is loaded from a magneto-optical trap (MOT) into a far-off resonance trap (FORT) at the center of four orthogonal, co-focal, high numerical aperture lenses. These lenses create the FORT, couple probe light onto the atom and collect the atomic fluorescence, which is used to identify the atomic state. A typical QJPD sequence is presented, which consists of trapping and cooling an atom in the FORT, optically pumping it into the dark state, illuminating with probe light, illuminating with readout light and collecting fluorescence photons, and checking that the atom has not left the FORT during the sequence. Statistical methods for measurement of QE and DC contributions are introduced. These compare the observed fluorescence count distribution against measured hyperfine-state fluorescence distributions. A QE of (2.4±0.1)×e−3 is demonstrated, a record for single photon absorption by a single atom in free space. Dark count contributions are measured. To produce low DC, the QJPD technique is implemented in two time windows: an exposure time for the single photon absorption followed by a short fluorescence time to read out the atomic state. This implies distinct acquisition and readout DC contributions, similarly to CCD and CMOS detectors. A dark jump rate (analogous to CCD/CMOS dark current) is measured of (5 ± 10) × e−3 jumps/s, consistent with zero and limited by measurement statistics. The measured readout contribution is (4.0 ± 0.4) × e−3 jumps per ms of fluorescence readout. For a 1 Hz readout rate, with 1 ms readout pulses, a net dark count rate of (15 ± 10) × e−3 counts/acquisition is demonstrated, which is already competitive with any non-cryogenic detector. The background rejection capabilities of the system are tested by measuring quantum jump rates when the atom is illuminated with direct sunlight, and with light scattered by the atmosphere (skylight). A rate equation model is developed to describe QJ probabilities in the presence of both intense broadband background and weak resonant probe light. This model is used to interpret experiments in which a weak signal beam competes with strong broadband background and validated using direct sunlight. Measurements where the atom is illuminated with skylight show no observable background-induced QJs. Finally, measurements of sky brightness and its fluctuations are presented, showing large fluctuations even on mostly clear days, a factor that further increases the need for background rejection. A number of contemporary applications of extreme photodetection, including free-space quantum communication in daylight, classical optical communications in space, and fundamental physics experiments, are discussed as possible applications of the QJPD technique. A realistic scenario where the demonstrated QJPD capabilities surpass the current performance of commercial single photodetectors is presented. Finally, potential improvements are discussed. It is shown that existing atomic and optical technologies could be applied to reach different wavelength ranges, narrower bandwidths, higher quantum efficiency, and lower dark counts. (Català) Aquesta tesi estudia l’ús d’un sol àtom neutre de Rubidio 87 atrapat com a comptador de fotons. La detecció de salts quàntics (QJs), canvis abruptes entre estats atòmics observables per canvis de fluorescència, es fa servir per inferir l'arribada de fotons únics. A aquesta tècnica l‘anomenem fotodetecció per salts quàntics (QJPD). Aquesta tesi primer situa la QJPD en el context de la fotodetecció. Comparada amb detectors tradicionals, la tècnica QJPD té una menor velocitat i menor eficiència quàntica (QE), però resulta excepcional per ser intrínsecament de banda estreta i per tenir un fort rebuig de fotons fora de banda i molt baixos comptes foscos (DCs). Aquestes característiques fan que sigui interessant per a aplicacions que detecten senyals òptics febles en presència de llum de fons de banda ampla. Els mètodes experimentals consisteixen en carregar un àtom de Rb87 des d'un parany magneto-òptic (MOT) a un parany fora de ressonància (FORT) localitzada al centre de quatre lents ortogonals, co-focals i d'alta obertura numèrica. Aquestes lents creen la FORT, acoblen la llum de prova a l'àtom i recullen la fluorescència atòmica, que és usada per identificar l'estat atòmic. La seqüència de QJPD consisteix a atrapar i refredar un àtom a la FORT, bombar-lo a l'estat fosc, il·luminar-lo amb llum de prova, il·luminar-lo amb llum de lectura i recollir la fluorescència, i comprovar que l'àtom no ha abandonat la FORT. S'introdueixen mètodes estadístics per mesurar la QE i les DC que comparen la distribució de comptes de fluorescència observada amb les distribucions de fluorescència de l'estat hiperfí. Es demostra una QE de (2.4±0.1)×e−3, un rècord per a l'absorció d'un sol fotó per un sol àtom en espai lliure. S’hi mesuren les contribucions dels DC. Per produir DC baixos, la QJPD s'implementa en dos temps: un temps d'exposició per absorció del fotó únic seguit d'un curt temps de fluorescència per llegir l'estat atòmic. Això implica contribucions a les DC diferenciades de adquisició i lectura, com passa als detectors CCD i CMOS. La taxa de salts foscos (anàloga al corrent fosc dels CCD/CMOS) és de (5 ± 10) × e−3 salts/s, compatible amb zero i limitada per les estadístiques de la mesura. La contribució de lectura és de (4.0 ± 0.4) × e−3 salts per ms de fluorescència. Per a una freqüència de lectura de 1 Hz, amb polsos de lectura de 1 ms, es demostra una taxa neta de DC de (15 ± 10) × e−3 comptes\ adquisición, que ja és competitiva amb qualsevol detector no criogènic. Les capacitats de rebuig de llum de Fons (LF) es comproven mesurant la taxa de QJs quan l'àtom és il·luminat amb llum solar directa i amb llum dispersada per l'atmosfera (llum celestial). Es desenvolupa un model d'equacions cinètiques que descriure les probabilitats de QJs en presència de LF de banda ampla, alhora que amb llum de prova feble en ressonància. Aquest model interpreta els experiments en què un feix de senyal feble competeix contra forta LF de banda ampla i es valida utilitzant llum solar directa. Experimentalment, no s'observen QJs induïts per la llum celestial. S’hi mesuren també la brillantor de la llum celestial i les seves fluctuacions, que resulten grans fins i tot en dies majoritàriament clars, factor que augmenta encara més la necessitat de rebutjar la LF. S’hi discuteixen diverses aplicacions extremes de fotodetecció contemporànies com a possibles aplicacions per a la QJPD, incloent comunicacions quàntiques en espai lliure durant el dia, comunicacions clàssiques a l'espai i experiments de física fonamental. Es presenta un escenari en què l'exercic de la QJPD sobrepassen el de detectors comercials. Finalment, s’hi discuteixen millores potencials. Es demostra que tecnologies atòmiques i òptiques existents poden ser aplicades per assolir diferents rangs de longitud d'ona, amples de banda més estrets, eficiència quàntica més alta i comptes foscos més baixos. (Español) Esta tesis estudia el uso de un solo átomo neutro de 87Rb atrapado como contador de fotones. La detección de saltos cuánticos (QJs), cambios abruptos entre estados atómicos observables por cambios de fluorescencia, se usa para inferir la llegada de fotones únicos. A esta técnica la nombramos fotodetección por saltos cuánticos (QJPD). Esta tesis primero sitúa la QJPD en el contexto de la fotodetección. Comparada con detectores tradicionales, la QJPD tiene una menor velocidad y menor eficiencia cuántica (QE), pero resulta excepcional por ser intrínsecamente de banda estrecha y por tener un fuerte rechazo de fotones fuera de banda y muy bajas cuentas oscuras (DCs). Estas características hacen que sea interesante para aplicaciones que detectan señales ópticas débiles en presencia de luz de fondo de banda ancha. Los métodos experimentales consisten en cargar un átomo de 87Rb desde una trampa magneto-óptica (MOT) a una trampa fuera de resonancia (FORT) localizada en el centro de cuatro lentes ortogonales, co-focales y de alta apertura numérica. Estas lentes crean la FORT, acoplan la luz de prueba al átomo y recogen su fluorescencia, que se usa para identificar el estado atómico. La secuencia de QJPD consiste en atrapar y enfriar un átomo en la FORT, bombearlo al estado oscuro, iluminarlo con luz de prueba, iluminarlo con luz de lectura y recoger la fluorescencia, y comprobar que el átomo no ha abandonado la FORT. Se introducen métodos estadísticos para medir la QE y las DC que comparan la distribución de cuentas de fluorescencia observada con las distribuciones de fluorescencia de los estados hiperfinos. Se demuestra una QE de (2.4±0.1)×e−3, un récord para la absorción de un solo fotón por un solo átomo en espacio libre. Se miden las contribuciones a las DC. Para lograr un nivel muy bajo de DC, la QJPD se implementa en dos tiempos: uno de exposición para la absorción del fotón único seguido de un corto tiempo de fluorescencia para leer el estado atómico. Esto implica contri
We present a brief overview of optical trapping experiments of individual neutral atoms. Then we describe in more details an experiment using a very small optical dipole trap, that is designed to store and manipulate individual atoms. Due to the very small dipole trap volume, a "collisional blockade" mechanism locks the average number of trapped atoms on the value 0.5 over a large range of loading rates. We study this regime experimentally, and we describe methods to measure the oscillation frequencies and the temperature of a single atom in the trap with a high accuracy.
(English) Cold atom platforms have become central to quantum technologies such as information processing, simulation, and metrology. Their versatility and high degree of control make them especially powerful. A key breakthrough in the field was the ability to trap individual atoms using light. Far-off-resonant optical dipole traps—like optical tweezers and lattices—enable precise positioning of atoms in diverse geometries, from simple 2D arrays to complex 3D structures. Another major advantage of cold atoms is their ability to mediate interactions between photons, which do not naturally interact in free space. Cold atomic ensembles act as a nonlinear medium, enabling strong interactions even at the two-photon level. Using collective atom-photon coupling and Rydberg-state excitations, they allow for photon-photon gates and the creation of non-classical states of light. These two features—strong optical nonlinearities and precise atomic positioning—make cold atoms a leading platform for quantum networks, quantum simulations, and studies of light-matter interaction. A phenomenon common to both platforms is photon scattering, which can either be of an intended or unintended nature. Up until recently, simple theories of scattering were sufficient for the community. However, the advance of atomic platforms now requires more nuanced and sophisticated theories to understand scattering and their consequences on applications. This constitutes the main theme of the thesis. In the application of atom trapping, in many practical situations atoms may experience state-dependent potentials. The potential mismatch can lead to excess heating and reduced elastic scattering of light, as compared to well-known limits like an atom in “magic-wavelength” traps or a trapped ion. In the first part of the thesis, we develop a model to analyze these effects, which can have important consequences in quantum optics or in atom imaging. In the second part of the thesis, we investigate how Rydberg spin waves decohere in the presence of light scattering, within the context of Rydberg Electromagnetically Induced Transparency (EIT). Within Rydberg EIT, an initial photon is stored as a coherent, extended superposition across atoms. This initial photon can strongly modify the propagation of subsequent photons, leading to large nonlinearities, but the scattering of subsequent photons can reveal information about where the first photon was stored, leading to decoherence of the initial superposition state. This in turn can lead to decreased utility or ability to retrieve the first photon. Here, we elucidate the nature of decoherence, and in particular for the first time we take fully into account the three-dimensional nature of the ensemble and its multiple scattering of light. We find regimes in which multiple scattering might offer additional protection from decoherence, as compared to previous simplified theories. Overall, this thesis makes new advances in understanding the nature of microscopic atom-light interactions and scattering, and connects this fundamental physics to key consequences in real-life applications. (Català) Les plataformes d’àtoms freds s’han situat al centre de les tecnologies quàntiques com ara el processament d’informació, la simulació i la metrologia. La seva versatilitat i el seu alt grau de control les fan especialment potents. Un dels avenços clau en aquest camp ha estat la capacitat de capturar àtoms individuals mitjançant llum. Les trampes òptiques dipolars fora de ressonància —com les pinces òptiques i les xarxes òptiques (lattices)— permeten posicionar àtoms amb gran precisió en una varietat de geometries, des d’arranjaments bidimensionals senzills fins a estructures tridimensionals complexes. Un altre gran avantatge dels àtoms freds és la seva capacitat de mediar interaccions entre fotons, que de manera natural no interaccionen en l’espai lliure. Els conjunts d’àtoms freds actuen com un medi no lineal, possibilitant interaccions fortes fins i tot a nivell d’un sol fotó. Mitjançant l’acoblament col·lectiu entre àtoms i fotons i les excitacions als estats de Rydberg, es poden implementar portes fotòniques i generar estats no clàssics de la llum. Aquestes dues característiques —no linealitats òptiques fortes i posicionament atòmic precís— fan dels àtoms freds una plataforma capdavantera per a xarxes quàntiques, simulacions quàntiques i l’estudi de la interacció llum-matèria. Un fenomen comú tant en les tècniques de captura d’àtoms com en l’òptica no lineal quàntica és la dispersió de fotons, que pot ser desitjada o no. Fins fa poc, les teories simples de dispersió eren suficients per a la comunitat. No obstant això, el desenvolupament de plataformes atòmiques més sofisticades exigeix teories més matisades i elaborades per entendre la dispersió i les seves conseqüències en les aplicacions. Aquest és el tema principal de la tesi. En el context de la captura d’àtoms, en moltes situacions pràctiques els àtoms poden experimentar potencials dependents de l’estat intern. Aquesta discrepància dels potencials pot generar escalfament excessiu i una reducció de la dispersió elàstica de la llum, en comparació amb límits ben coneguts com els que es troben en trampes de “longitud d’ona màgica” o en ions atrapats. En la primera part de la tesi, desenvolupem un model per analitzar aquests efectes, que tenen implicacions importants en òptica quàntica o en la imatge d’àtoms. En la segona part de la tesi, investiguem la decoherència en les ones d’espín de Rydberg en presència de la dispersió de la llum, en el context de la Transparència Induïda Electromagnèticament (EIT) amb Rydberg. En aquest esquema, un fotó inicial s’emmagatzema com una superposició coherent i estesa entre àtoms. Aquest fotó pot modificar fortament la propagació dels fotons posteriors, produint grans no linealitats, però la dispersió d’aquests fotons pot revelar informació sobre la localització del primer fotó, provocant la descoherència de l’estat de superposició inicial. Aquest és un mechanisme que pot reduir la possibilitat de recuperar el primer fotó. En aquest treball, es detalla la naturalesa d’aquesta descoherència, i per primera vegada es té en compte de manera completa la naturalesa tridimensional del conjunt atòmic i la dispersió múltiple de la llum. Identifiquem règims en què la dispersió múltiple pot oferir una protecció addicional contra la descoherència, en contrast amb les teories simplificades anteriors. En conjunt, aquesta tesi aporta nous avenços en la comprensió de les interaccions microscòpiques entre àtoms i llum, i connecta aquesta física fonamental amb conseqüències rellevants en aplicacions del món real. (Español) Las plataformas de átomos fríos se han vuelto centrales en tecnologías cuánticas como el procesamiento de información, la simulación y la metrología. Su versatilidad y alto grado de control las hacen especialmente poderosas. Un avance clave en el campo fue la capacidad de atrapar átomos individuales utilizando luz. Las trampas ópticas dipolares fuera de resonancia —como las pinzas ópticas y los arreglos en red (lattices)— permiten posicionar átomos con precisión en geometrías diversas, desde simples arreglos 2D hasta estructuras complejas en 3D. Otra gran ventaja de los átomos fríos es su capacidad para mediar interacciones entre fotones, los cuales no interactúan de forma natural en el espacio libre. Los conjuntos atómicos fríos actúan como un medio no lineal, permitiendo interacciones fuertes incluso a nivel de un solo fotón. Mediante el acoplamiento colectivo átomo-fotón y las excitaciones a estados de Rydberg, se hacen posibles compuertas entre fotones y la creación de estados no clásicos de luz. Estas dos características —no linealidades ópticas fuertes y posicionamiento atómico preciso— hacen de los átomos fríos una plataforma líder para redes cuánticas, simulaciones cuánticas y estudios de la interacción luz-materia. Un fenómeno común tanto en las herramientas de atrapamiento atómico como en la óptica no lineal cuántica es la dispersión de fotones, que puede ser intencionada o no. Hasta hace poco, teorías simples de dispersión eran suficientes para la comunidad. Sin embargo, el avance de las plataformas atómicas ahora requiere teorías más matizadas y sofisticadas para entender la dispersión y sus consecuencias en diversas aplicaciones. Este constituye el tema principal de la tesis. En la aplicación del atrapamiento atómico, en muchas situaciones prácticas los átomos pueden experimentar potenciales dependientes del estado interno. Esta diferencia de los potenciales puede conducir a un calentamiento excesivo y a una reducción de la dispersión elástica de la luz, en comparación con límites bien conocidos como los que se dan en trampas de “longitud de onda mágica” o en iones atrapados. En la primera parte de la tesis, desarrollamos un modelo para analizar estos efectos, los cuales pueden tener consecuencias importantes en óptica cuántica o en la imagen de átomos. En la segunda parte de la tesis, investigamos la decoheréncia de las ondas de espín de Rydberg en presencia de a dispersión de la luz, dentro del contexto de Transparencia Inducida por Electromagnetismo (EIT) con Rydberg. En este esquema, un fotón inicial se almacena como una superposición coherente y extendida entre átomos. Este fotón inicial puede modificar fuertemente la propagación de fotones posteriores, dando lugar a grandes no linealidades, pero la dispersión de esos fotones posteriores puede revelar información sobre dónde fue almacenado el primer fotón, causando la descoherencia de la superposición inicial. Esto a su vez puede reducir la utilidad o la capacidad de recuperar ese primer fotón. En este trabajo, elucidamos la naturaleza de esta descoherencia, y en particular, por primera vez consideramos plenamente la naturaleza tridimensional del conjunto atómico y la dispersión múltiple de