Diese Arbeit demonstriert erstmalig das Phänomen der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT) mit einem einzelnen Atom. Ein kohärenter atomarer Dunkelzustand wird dazu verwendet, die Transmission eines Laserstrahls optisch zu kontrollieren. Die dafür notwendige, verstärkte Wechselwirkung von Licht und Materie wird durch die Kopplung des Atoms an die Mode eines optischen Resonators erreicht. Neben der Skalierung des Transmissionsspektrums mit der Atomzahl wird auch die Verlangsamung eines Lichtpulses unter EIT-Bedingungen untersucht. In einem zweiten Experiment wird die effiziente Erzeugung von Atom-Photon-Verschränkung auf der D1-Linie von Rubidium gezeigt. Durch das Abspeichern des Einzelphotons in einem Bose-Einstein-Kondensat wird dieses mit dem einzelnen Atom verschränkt und damit ein elementares, hybrides Quantennetzwerk realisiert.
Diese Arbeit demonstriert erstmalig das Phänomen der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT) mit einem einzelnen Atom. Ein kohärenter atomarer Dunkelzustand wird dazu verwendet, die Transmission eines Laserstrahls optisch zu kontrollieren. Die dafür notwendige, verstärkte Wechselwirkung von Licht und Materie wird durch die Kopplung des Atoms an die Mode eines optischen Resonators erreicht. Neben der Skalierung des Transmissionsspektrums mit der Atomzahl wird auch die Verlangsamung eines Lichtpulses unter EIT-Bedingungen untersucht. In einem zweiten Experiment wird die effiziente Erzeugung von Atom-Photon-Verschränkung auf der D1-Linie von Rubidium gezeigt. Durch das Abspeichern des Einzelphotons in einem Bose-Einstein-Kondensat wird dieses mit dem einzelnen Atom verschränkt und damit ein elementares, hybrides Quantennetzwerk realisiert.
Die vorliegende Arbeit beschreibt Experimente zur Speicherung von Zwei-Teilchen-Verschränkung in einem atomaren Bose-Einstein-Kondensat (BEC).Dabei wird ein einzelnes Atom in einem optischen Resonator hoher Güte zur kontrollierten Erzeugung eines einzelnen Photons verwendet, das mit den inneren Freiheitsgraden des Atoms verschränkt ist.Das Einzelphoton wird in einer optischen Faser zum BEC transportiert und dort gespeichert.Auf diese Weise entsteht Verschränkung zwischen Einzelatom und BEC.Die Speicherung des Photons geschieht in einem Schema, das auf elektromagnetisch induzierter Transparenz beruht.Da das BEC eine hohe optische Dichte besitzt und keine thermische Bewegung der Atome stattfindet, können sowohl eine hohe Effizienz des Speicherprozesses als auch lange Speicherzeiten erreicht werden.Darüber hinaus können die inneren Zustände der Atome im BEC sehr gut präpariert werden, was die Speicherung eines Qubits in den Spinzuständen der Atome mit hoher Fidelity ermöglicht.Wir weisen die Verschränkung zwischen Einzelatom und BEC nach, indem wir nach einer variablen Haltezeit das im BEC gespeicherte Photon auslesen und den Zustand des Atoms auf ein zweites Photon abbilden.Die Fidelity des so entstandenen Zwei-Photonen-Zustandes mit dem erwarteten, maximal verschränkten Singulett-Zustand beträgt 95%.Dies zeigt, dass in allen experimentellen Schritten die Verschränkung nahezu perfekt zwischen photonischen und atomaren Qubits umgewandelt wird.Die Atom-BEC-Verschränkung kann noch nach 100 µs nachgewiesen werden.Diese Zeit übersteigt die Dauer der Einzelphotonen um 2 Größenordnungen.Eine notwendige Voraussetzung für die erfolgreiche Durchführung dieses Experiments war eine gründliche Charakterisierung und Optimierung des Quantenspeichers.Hierzu wurden an der Stelle von Einzelphotonen abgeschwächte Laserpulse mit definierter Polarisation gespeichert.Es zeigt sich, dass selbst nach einer Speicherzeit von 800 µs der mittlere Überlapp des ausgelesenen Polarisationszustandes mit dem Eingangszustand noch 90(2)% beträgt.iii v 5. Stöße und Dynamik in ultrakalten Gasen 5.1.Ultrakalte Quantengase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.2.Kohärente Atompaar-Molekül-Oszillationen . . . . . . . . . . . . . .5.3.Verluste erzeugen Korrelationen in einem eindimensionalen molekularen Gas . . . . . . . . . . . . .
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.
Verschränkung ist eines der grundlegendsten Merkmale in der Quantenmechanik. Sie beschreibt einen nicht separierbaren Zustand von zwei oder mehr quantenmechanischen Objekten und besitzt z. T. Eigenschaften, welche dem klassischen physikalischen Sinn widersprechen. Während das Konzept der Verschränkung, welches bereits von E. Schrödinger in 1935 eingeführt wurde, allgemein gut verstanden ist, stellen die Erzeugung und Analyse von verschränkten Zuständen noch immer eine erhebliche Herausforderung dar. Insbesondere die Verschränkung von verschiedenartigen Objekten wie Atomen und Photonen wurde erst vor kurzem erreicht und ist Gegenstand aktiver Forschung. Diese Arbeit berichtet über Experimente mit Verschränkung zwischen einem einzelnen Rubidium Atom und einem einzelnen Photon. Das Atom wird in einer optischen Falle gehalten, wo es exakt lokalisiert ist und sein interner Zustand mit Laserpulsen manipuliert werden kann. Zur Erzeugung der Verschränkung wird das Atom optisch in ein kurzlebiges höheres Niveau angeregt, von wo aus es unter Ausstrahlung eines einzelnen Photons zurück in den Grundzustand fällt. Die Polarisation des emittierten Photons ist verschränkt mit dem Spin des Atoms. In dieser Arbeit wurden Methoden entwickelt, die Präparation und Analyse des Atom-Photon Zustandes mit hoher Genauigkeit erlauben. Um den Zustand für weitere Anwendungen verfügbar zu machen, mussten mehrere Probleme gelöst werden. Erstens ist der interne Zustand des Atoms empfindlich gegenüber äußeren Störungen, insbesondere durch magnetische und elektromagnetische Felder. Um den Zustand des Atoms während des Experiments (welcher auf der Skala von Mikrosekunden abläuft) zu erhalten, wurde u. a. ein System zur aktiven Stabilisierung der Magnetfelder entwickelt. Zweitens muss das vom Atom emittierte Photon zu einem anderen Ort übertragen werden, dabei soll sein Zustand erhalten bleiben. Für diesen Zweck wurde eine faseroptische Strecke von 300 Metern Länge aufgebaut. Wegen der mechanisch bedingten Doppelbrechung in der Faser, ändert sich der Polarisationszustand des Photons während der Übertragung. Deshalb wurde ein System zur aktiven Kompensation der Doppelbrechung entworfen und installiert. Um die Zuverlässigkeit der optischen Verbindung zu bestätigen, wurde das vom Atom emittierte Photon übertragen und Verschränkung nachgewiesen. Der neue Typ der Verschränkung hat viele Anwendungen, insbesondere im Bereich der Quanten-Informationsverarbeitung. Die Fähigkeit, Superpositionszustände und verschränkte Zustände zu speichern und zu verarbeiten, erlaubt effiziente Lösung von speziellen Problemen, welche auf klassischen Computern nicht innerhalb realistischer Zeit lösbar sind. Darüber hinaus erfordert und ermöglicht die quantenmechanische Natur dieser Information prinzipiell neue Methoden der Kommunikation (z.B. Quanten-Teleportation und Kryptographie). Ein Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Implementierung des Protokolls zur Quantenteleportation an dem verschränkten Atom-Photon Paar. Ein Zustand, welcher auf das Photon kodiert wurde, konnte erfolgreich auf den atomaren Spin über eine Entfernung von 5 Metern teleportiert werden. Mit Hilfe der Methoden und Instrumente, welche während dieser Arbeit entwickelt wurden, wird es möglich, zwei Atome über eine große Entfernung zu verschränken. Dazu ist es geplant, zwei separate Atomfallen simultan zu betreiben, um zwei verschränkte Atom-Photon Paare gleichzeitig zu erzeugen. Die Interferenz der Photonen erlaubt dann einen verschränkten Zustand für die zwei Atome zu erhalten, eine Schlüsselvoraussetzung für einen fundamentalen Test der Quantenmechanik, den so genannten Bell Test.
Ultrakalte Gase dienen seit den Achtzigerjahren der Erforschung neuartiger physikalischer Phänomene, in deren Rahmen zum Beispiel erstmals die Realisierung atomarer Bose-Einstein-Kondensate sowie die quantenentarteter Fermi-Gase gelang. Anfangs konnten diese Zustände ausschließlich mit Alkaliatomen erreicht werden. Erst im vergangenen Jahrzehnt gelang es auch Atome mit komplexerer innerer Struktur zu kondensieren, die teilweise einen von Null verschiedenen elektronischen Bahndrehimpuls im Grundzustand aufweisen, wie etwa die Lanthanoide Erbium und Dysprosium. Ultrakalte Gase aus solchen Atomen lassen sich auf neue Art und Weise mit Laserlicht fern verstimmter Frequenz manipulieren. Weiterhin weisen sie einen starken dipolaren Charakter auf, welcher die Wechselwirkungen im ultrakalten Gas dominiert und damit zu neuen Wechselwirkungsphänomenen führt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig eine Bose-Einstein-Kondensat von Erbiumatomen im Potential einer extrem weit von den atomaren Resonanzen verstimmten quasi-elektrostatischen Dipolfalle erzeugt. Zentraler Teil dieser Arbeit war die Realisierung eines effizienten Umladeprozesses aus der magnetooptischen Falle in die quasi-elektrostatischen Dipolfalle, in welcher eine weitere evaporative Kühlung des Bose-Gases bis in den Bereich der Quantenentartung erfolgte. Da sich das Bose-Einstein-Kondensat nur in sehr reinen Ultrahochvakuumatmosphären beobachten lässt, wurde in einem ersten Schritt ein Vakuumsystem konstruiert und aufgebaut, welches aus einer Effusionszelle, einem Zeeman-Kühler und einer Hauptkammer besteht. Mit Hilfe der Effusionszelle wird ein Atomstrahl produziert und nach deren Verlassen, mit Hilfe des Kühlübergangs bei 400,91 nm transversal gekühlt und kollimiert. Longitudinal wird der Atomstrahl mit Hilfe eines Zeeman- Kühlers abgebremst, der ebenfalls den Kühlübergang bei 400,91 nm nutzt. Aus dem Atomstrahl wird eine magnetooptische Falle geladen, die mit Licht der Wellenlänge 582,84 nm betrieben wird. Die in der magnetooptischen Falle gefangenen Atome werden zur weiteren Abkühlung in ein quasi-elektrostatisches Dipolfallenpotential umgeladen, welches durch den fokussierten Laserstrahl eines CO2 -Lasers der Wellen- länge 10,6 μm gebildet wird. Mit Hilfe der darauf folgenden Evaporationsphase konnte die Phasenraumdichte über den kritischen Wert für den Phasenübergang erhöht und die Herausbildung eines Bose-Einstein-Kondensats aus Erbiumatomen beobachtet werden. Das Bose-Einstein-Kondensat beinhaltet etwa 3 · 10^4 Erbiumatome und hat eine Lebensdauer von etwa 8 s. Eine Perspektive der hier gewonnenen Ergebnisse ist die Erzeugung neuartiger Quantenzustände von Materie, sowie zum Beispiel die Untersuchung des fraktionalen Quanten-Hall-Effekts in extrem starken künstlichen Magnetfeldern induziert durch weit verstimmte optische Raman-Lichtfelder.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Apparatur zur Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats mit Rubidium-Atomen in einer stark anisotropen Fallengeometrie konzipiert und im Labor realisiert. Die Bose-Einstein-Kondensation von verdünnten atomaren Gasen wird durch verschiedene Einfang- und Kühlmethoden erreicht. Abweichend von bisherigen Experimenten wurden hier bei den einzelnen experimentellen Stufen zum Teil neue Wege begangen: Ausgehend von der Dampfphase bei Raumtemperatur wird ein intensiver Strahl kalter Atome mittels zweidimensionaler magnetooptischer Kühlung erzeugt. Dieser ermöglicht es, eine großvolumige magnetooptische Atomfalle mit einer hohen Atomzahl zu laden. Mit der hohen optischen Dichte geht zwar eine geringe Kühleffizienz einher, was jedoch durch einen speziellen Kühlschritt, eine verstimmte magnetooptische Fallen-Phase, behoben wird, um Temperaturen im Bereich der Polarisationsgradientenkühlung zu erreichen. Das so präparierte Atomensemble wird in einer Magnetfalle durch Verdampfungskühlung in ein Bose-Einstein-Kondensat überführt. Hierbei wirkt sich besonders die anisotrope Fallengeometrie auf die Effizienz des letzten Kühlschritts aus. Die hier realisierte Apparatur erlaubt es, in das quasi-eindimensionale Regime entarteter Quantengase mit einer gut detektierbaren Atomzahl vorzudringen. Ein analytisches Modell rundet die theoretische Beschreibung der zweidimensionalen magnetooptischen Kühlung ab. Darüberhinaus werden erste Experimente von Bose-Einstein-Kondensaten in optischen Gittern vorgestellt und der Einfluss von interatomarer Wechselwirkung aufgrund von s-Wellen-Streuung auf die Materiewellenbeugung an optischen Stehwellen diskutiert.
Zusammenfassung Die Zielsetzung dieser Arbeit bestand darin, experimentelle Techniken und physikalische Konzepte auf dem Weg zur Realisierung einer kontinuierlichen kohärenten Quelle neutraler Atome zu untersuchen und experimentelle Voraussetzungen dafür zu schaffen.Eine wesentliche Voraussetzung einer laserartigen Quelle neutraler Atome ist eine brilliante Strahlquelle, die auch die Grundlage der Experimente dieser Arbeit ist.Zur Präparation und Optimierung eines langsamen Atomstrahls metastabiler Neonatome wurde die komplexe Dynamik der Polarisationsgradientenkühlung in einer 2D-magnetooptischen Melasse mit hohen Magnetfeldgradienten von 350 G/cm untersucht.Dabei wurden Geschwindigkeitsbreiten nahe der Photonenrückstoßgrenze und ein von der Standardtheorie abweichendes Verhalten gemessen.Analog zum optischen Laser ist für eine kohärente atomare Quelle ein Resonator hoher Güte zur Konzentration der Atome auf wenige Moden erforderlich.TEM *-Laserfelder mit positiver 01 Frequenzverstimmung ermöglichen hierzu die Realisierung starker Dipolpotentiale mit Vibrationsfrequenzen in der Größenordnung der Photonenrückstoßfrequenz T = Sk²/(2m).rec Zur effizienten Erzeugung des TEM *-Laserstrahls wurden verschiedene Methoden untersucht 01 und gegeneinander abgewogen.Mittels computergenerierter Hologramme konnten schließlich TEM *-Laserfelder mit einer Effizienz von 45% und guter Modenqualität erzeugt werden.01 Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Fokussierung neutraler Atome in einem TEM *-Laserstrahl 01 erstmals experimentell realisiert werden und die Ergebnisse zur Fokussierung mittels eines Gauß-Modes wesentlich verbessert werden.Im direkten Vergleich konnte die wesentlich höhere Effizienz der Fokussierung in einem TEM *-Laserstrahl gegenüber der im TEM -Laserfeld nach-01 00 gewiesen werden.Es wurden 1.4•10 Atome/s, entsprechend 70% aller Atome eingefangen, 6 geführt und auf Durchmesser von ca.6 µm fokussiert werden.Im Hinblick auf die kontinuierliche Besetzung niedriger Potentialzustände wurde erstmalig eine detaillierte Untersuchung der Polarisationsgradientenkühlung in starken Dipolpotentialen durchgeführt.Eine 2D-optische Melasse kühlt die transversale Geschwindigkeitsbreite des Atomstrahls im Fokus eines TEM *-Laserstrahls unter das Dopplerlimit.Dabei wurde eine signifikante 01 Abhängigkeit der Kühlefffizienz von der TEM *-Potentialstärke beobachtet.01 Die Ergebnisse dieser Arbeit demonstrieren die Eignung des TEM *-Lasermodes als neues 01 atomoptisches Instrument.Durch Anwendung der Polarisationsgradientenkühlung in starken TEM *-Dipolpotentialen wurden neue Erkenntnisse über die Laserkühlung stark gebundener 01 neutraler Atome gewonnen.