Moderne Optik. Schwerpunkt Quantenoptik. Vorlesung im Wintersemester 2012/2013. Prof. Dr. Gerhard Birkl

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Daniela Hofmeister
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1 Moderne Optik Schwerpunkt Quantenoptik Vorlesung im Wintersemester 2012/2013 Prof. Dr. Gerhard Birkl ATOME - PHOTONEN - QUANTEN Institut für Angewandte Physik Raum: S2/ Telefon: gerhard.birkl@physik.tu-darmstadt.de Diese Zusammenstellung ist ausschließlich für die Studierenden der Vorlesung MODERNE OPTIK im Wintersemester 2012 / 2013 zur Nacharbeitung der Vorlesungsinhalte gedacht und darf weder vervielfältigt noch veröffentlicht werden.

2 Inhalt Grundlagen, Techniken und physikalische Fragestellungen der Quantenoptik

3 Übersicht Wechselwirkung von Strahlung und Atomen - Kohärente Anregung von Atomen - Ramsey-Experimente - Atomuhren - Atominterferometer Resonanzfluoreszenz - Beschreibung der Wechselwirkung von Licht mit Atomen unter spontanem Zerfall

4 Laserkühlung Übersicht - Wechselwirkung von Licht mit Atomen unter Änderung des Bewegungszustandes - Laserkühlung von Atomen und Ionen (Doppler-Kühlung) - Sub-Doppler-Kühlung - Erreichbare Temperaturen und Limitierungen

5 Fallen für Atome Übersicht - Magneto-optische Falle - Dipolfallen - Optische Gitter - Magnetische Fallen - Ionenfallen

6 Übersicht Bose-Einstein-Kondensation - Grundlagen der Bose-Einstein-Kondensation - Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten - Nachweis von Bose-Einstein-Kondensaten - Grundlegende Experimente

7 Übersicht Quanteninformationsverarbeitung - Grundlagen der Quanteninformationsverarbeitung - Experimentelle Ansätze - Quanteninformationsverarbeitung mit Ionen - Quanteninformationsverarbeitung mit Atomen

8 Literatur Ausgewählte Kapitel aus: L. Allen, J. Eberly Optical Resonance and Two-Level Atoms Dover Publications, 1988, ca. 15,- J. Weiner, P.-T. Ho Light-Matter Interaction (vol. 1) Wiley, 2003, ca. 61,- H. Metcalf, P. van der Straten Laser Cooling and Trapping Springer, 2001, ca. 43,-

9 Literatur Ausgewählte Kapitel aus: C.J. Pethik, H. Smith Bose-Einstein Condensation in Dilute Gases Cambridge, 2002, ca. 66,- J. Stolze, D. Suter Quantum Computing Wiley-VCH, 2008, ca. 55,- D. Bouwmeester, A. Ekert, A. Zeilinger The Physics of Quantum Information Springer, 2000, ca. 75,-

10 Aktuelle Forschung in der Quantenoptik Ramsey-Spektroskopie und Ionenfallen Laserkühlung und optische Fallen Bose-Einstein-Kondensation (Theorie der) Quantenoptik und Präzisionsspektroskopie mit Lasern Messung und Manipulation von individuellen Quantensystemen

11 Ramsey Spektroskopie und Ionenfallen

12 Ramsey-Spektroskopie/Atomuhren e> g> 1> 0>

13 Ramsey-Spektroskopie/Atomuhren Cäsium Atomuhr PTB Braunschweig

14 Speicherung von Ionen in Paul Fallen

15 Linear Ionenfalle und Quadrupol-Speicherring

16 Laserkühlung und optische Fallen

18 Laserkühlung - Präparation ultrakalter Atome

19 Laserkühlung - Präparation ultrakalter Atome Typische Parameter Atomspezies: Alkaliatome, metastabile Edelgase (Li, Na, Rb, Cs, He, Ne,...) Atomzahl: 108 Temperatur: 10 μk Dichte: 1010 cm-3

Addressierung einzelner Dipolfallen Kleine Foki durch hohe Numerische Apertur Refraktives und diffraktives

21 Vielfachrealisierung von optischen Mikropotentialen Vielfachrealisierung von Dipolfallen durch Fokussieren eines (weit) rotverstimmten Laserstrahls mit einem Mikrolinsenarray Dipolfallen Mikrolinsenarray Selektive Addressierung einzelner Dipolfallen Kleine Foki durch hohe Numerische Apertur Refraktives und diffraktives Mikrolinsenarray Großer Abstand der Mikrolinsen (typisch 100µm) ermöglicht getrennte räumliche Adressierung der Einzelfallen

22 Vielfachrealisierung von Mikropotentialen Vielfachrealisierung von individuell kontrollierbaren Quantensystemen in optischen Mikropotentialen Anzahl der Fallen > 50 Fallenparameter für das Dipolfallenarray: P = 10 mw pro Falle Fallengröße w 0 = 6 µm Fallentiefe = 16 mk Atome pro Falle= R. Dumke, M. Volk, T. Müther, F.B.J. Buchkremer, G. Birkl, and W. Ertmer, Phys. Rev. Lett. 89, (2002).

23 Bose- Einstein- Kondensation

$waves many modes diffraction limited$

25 Ordinary light Laser light Laser beam and light bulb divergent incoherent many small waves many modes diffraction limited (directional) coherent one big wave single mode (monochromatic)

26 Ordinary gas Bose-Einstein condensate divergent incoherent many small waves many modes diffraction limited (directional) coherent one big wave single mode (monochromatic)

27 MIT BEC phase transition JILA

28 BEC in Darmstadt 3D-Bild von drei kalten 139nK, 62nK und 30 nk TUD

29 Atom Laser

30 (Theorie der) Quantenoptik und Präzisionsspektroskopie

31 Oszillator Prinzip der Frequenzmessung Zählwerk - Pendel - mechanische Zähler - Quarzoszillator - elektronische Zähler - optischer Oszillator - optisches Zählwerk 1, 2, 3,... Ziel bei der Entwicklung von Oszillatoren: Erreichen möglichst hohe Güte: Q = f / Δf Hohe Frequenz f und geringe Linienbreite Δf

32 Wichtig sind immer: Oszillator und Zählwerk Zum Vergleich: Mechanische Oszillatoren Quantenoptik: Atom = Oszillator; Frequenzkamm = Zählwerk

33 Aufbau eines optischen Frequenzkammgenerators Garchinger Frequenzkamm (T. Hänsch et al.)

34 Messung und Manipulation individueller Quantensysteme

35 Kontrolle individueller Quantensysteme

36 Individuell kontrollierbare Photonen in Resonatoren

37 Individuell kontrolliebare Ionen in Ionenfallen Lineare Ionenkristalle Zentrales Element für quantenphysikalische Experimente mit Ionen Universität Innsbruck

38 Individuell kontrolliebare Ionen in Ionenfallen Lineare Ionenkristalle Zentrales Element für quantenphysikalische Experimente mit Ionen Universität Innsbruck G. Birkl, S. Kassner, and H. Walther, Nature 357, 310 (1992).

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