Lichtspeicherung in Atomaren Kohärenzen

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1 Lichtspeicherung in Atomaren Kohärenzen Im Rahmen des Seminars: Quantenoptik und nichtlineare Optik WS2010/2011 1

2 Gliederung owiederholung ogrundlagen oexperimente ochronik orb - Walsworth (2001) ona - Liu (2001) oausblick 2

3 Wiederholung: EIT Anforderungen o 3-Niveau-System o Kopplungs- und Nachweislaser o 1 2 Dipolverboten o Geringe Dopplerverbreiterung o Ω K > Zerfallskonstanten o Zeitlich und Räumlich überlappende Lichtfelder Nachweislaser EIT Medium Kopplungslaser 3

4 Wiederholung: EIT Dispersion Absorption Verstimmung Verstimmung 4

5 Wiederholung: EIT Eigenzustände H 0 = E E E 3 E 1 1 E 2 2 E 3 3 H WW = a + = sin θ sin ϕ 1 + cos θ sin ϕ 2 + cos ϕ 3 ħ Ω N 0 0 Ω K Ω N Ω K a 0 = cos θ 1 sin θ 2 Dunkelzustand a = sin θ cos ϕ 1 + cos θ cos ϕ 2 cos ϕ 3 tan θ= Ω N Ω K tan 2ϕ = Ω N 2 + Ω K 2 Δ 5

6 Wiederholung: Slow Light Gruppen- und Phasengeschwindigkeit Verstimmung 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik Vortrag: Lichtspeicherung 6

7 Wiederholung: Slow Light o geringe Absorption o hohe Dispersion ~ 1 Ω K 2 o v g = c mit n = 1 und n n+n g = kc g Ω 2 K v g ~Ω K o Verlangsamung und Stauchung des Nachweispulses o Temporärer Energietransfer in Kohärenz und Kopplungslaser o Photonen + Kohärenz Polariton 7

8 Wiederholung: Slow Light o Tranparenzbreite Δω F z ~ Ω K o Spektrale Breite Δω N z Δω N 0 Δω N Δω F Nachweisverstimmung 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik Vortrag: Lichtspeicherung 8

9 Grundlagen: Motivation Motivation Lichtspeicherung o Niedrige Gruppengeschwindigkeit o Geringe Absorption trotz hoher Dispersion o Stärkste Verlangsamung bei ca. 10 m s o Problem bei kurzen Pulsen Absorption 9

10 Grundlagen: Motivation Motivation Lichtspeicherung o Bisher: Zeitlich konstantes Kopplungslichtfeld Hau et al. (1999) o Nun: Zeitlich veränderliches Kopplungslichtfeld 10

11 Intensität Grundlagen: Nachweispuls Signal Verstimmung 15. Dezember 2010 Kopplungspuls Auslesepuls Zeit Institut Für Angewandte Physik Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik Vortrag: Lichtspeicherung 11

12 Grundlagen: Das Polariton Dunkelpolariton: Ψ z, t =cos θ cω N z, t sin θ ϱρ 21 e iδkz Lichtfeld Spin Kohärenz Leuchtpolariton: Φ z, t =sin θ cω N z, t + cos θ ϱρ 21 e iδkz tan² θ t = ϱg² Ω K = n g Kohärenz 12

13 Grundlagen: Das Polariton t + c cos² θ(t) z Ψ z, t ~Φ z, t = 0 v g = c cos² θ(t) tan² θ t = ϱg² Ω K = n g 13

14 Grundlagen: Das Polariton 14

15 Grundlagen: Adiabasiekriterium Atome müssen der Feldänderung folgen können! Ω N 2 + Ω K 2 d dt Ω N (t) Ω K (t) 15

16 Grundlagen: o Spektrale Breite Δω N t Δω N 0 cos² θ(t) cos² θ(0) o Tranzparenzbreite Δω F t = Δω F 0 o Verhältnis: Δω N t Δω F t Δω N 0 Δω F 0 sin² θ(t) sin² θ(0) cot² θ(t) cot² θ(0) tan² θ t = ϱg² Ω K = n g 16

17 Experimente: Chronik oum 1990 EIT o1999 Ultra-Langsames Licht 17 m s (Hau, Rowland Institute) o2000 Lichtspeicherung (Fleischhauer, Lukin) o2001 0,5ms in kaltem Natrium und warmen Rubidium (L. Hau, Harvard Physics & Rowland / D. F. Phillips et al., CfA) o2002 Lichtspeicherung in Festkörpern (Hemmer et al., MIT) Speicherung der Phaseninformation (A. Mair et al., Center for Astrophysics) 17

18 Experimente: Chronik o2003 Gefangenes Licht (S. Yelin, Harvard) o2004 5ms (CfA) /2005 Einzelphoton Lichtspeicherung (Chou, Caltech und Eisaman, Harvard) o 18

19 Experimente: (Walsworth 2001) D. F. Phillips et al., PRL 86, (2001) und A. Mair et al., PR A 65, (R) (2002) 19

20 Experimente: (Walsworth 2001) 20

21 Experimente: (Walsworth 2001) 21

22 Experimente: Liu(2001) C. Liu et al., Nature 409, 490 (2001) 22

23 Experimente: Liu(2001) 23

24 Experimente: Liu(2001) 24

25 Experimente: Liu(2001) 25

26 Ausblick: Bildspeicherung 87 Rb Bildspeicherung in M. Shuker et al., PRL 100, (2008) 26

27 Ausblick: Bildspeicherung mit Rephasierung 27

28 Ausblick: Bildspeicherung mit Rephasierung 28

29 Ausblick: Bildspeicherung mit Rephasierung Bildspeicherung mit Rephasierung in Pr 3 : Y 2 SiO 5 G. Heinze et al, PR A 81, (R) (2010) und Master Thesis A. Rudolf 29

30 Ausblick: Rephasierung und Stabilisierung Lichtspeicherung mit Rephasierung in Pr 3 : Y 2 SiO 5, J.J. Longdell et al, PRL 95, (2005) 30

31 Ausblick: Einzelphoton-Speicherung 31

32 Ausblick: Einzelphoton-Speicherung M. D. Eisaman et al, Nature 438, 837 (2005) 32

33 Zusammenfassung oeit o Slow Light opolariton oadiabasie okohärenz erhalten ophase erhalten 33

34 Ende Vielen Dank! 34

35 Quellen omaster Thesis A. Rudolf (2009) odiploma Thesis G. Heinze (2008) odiploma Thesis F. Beil om. Fleischhauer et al., Electromagnetically induced transparency: Optics in coherent media, Rev. Mod. Phys. 77, 633 (2005) og. Heinze, A. Rudolf, F. Beil, and T. Halfmann, Storage of images in atomic coherences in a rare-earth-ion-doped solid, Phys. Rev. A. 81, (R) (2010) oc. Liu et al., Observation of coherent optical information storage in an atomic medium using halted light pulses, Nature 409, 490 (2001) 35

36 Quellen od.f. Phillips et al., Storage of Light in Atomic Vapor, PRL 86, (2001) oa. Mair et al., Phase coherence and control of stored photonic information, Phys. Rev. A 65, (R) (2002) or. Walsworth et al., THE STORY BEHIND STOPPED LIGHT, Optics & Photonics News May 2002 om. Shuker et al., Storing images in warm atomic vapor, PRL 100, (2008) o M. Fleischhauer und M. D. Lukin, Quantum memory for photons: Darkstate polaritons, PR A 65,

37 Quellen oj.j. Longdell et al, Stopped light with storage times greater than one second using EIT in a solid, PRL 95, (2005) om. D. Eisaman et al, Electromagnetically induced transparency with tunable single-photon pulses, Nature 438, 837 (2005) 37