CAVITY QED 08. Juni 2011 Fabian Alt

Agenda Motivation Theoretischer Hintergrund – Jaynes-Cummings-Modell Experiment I – Normal Mode Spectroscopy of Atom-Cavity-System Experiment II – Photon Blockade with one trapped atom Zusammenfassung

Licht-Materie-Wechselwirkung an fundamentalem System Motivation Motivation: Fundamentales System WW einzelnes Atom und eine Mode des EM-Feldes Anwendungen in Quantum Information Science

Theoretischer Hintergrund Einführung Theoretischer Hintergrund – Jaynes-Cummings-Modell Experiment I – Normal Mode Spectroscopy of Atom-Cavity-System Experiment II – Photon Blockade with one trapped atom Zusammenfassung

Jaynes-Cummings-Modell Theoretischer Hintergrund Energiespektrum ħωa und ħωc Zerfallsraten γ und κ Kopplungsfaktor g proportional zum Dipolmatrixelement dge Starke Kopplung: g >> γ, κ

Jaynes-Cummings-Modell Theoretischer Hintergrund Starke Kopplung: g >> γ, κ Jaynes-Cummings-Model (rotating wave approximation) Kommmutatorrelationen und Aus HΨ = EΨ lassen sich die Energieniveaus des Systems errechnen

Energieaufspaltung im Jaynes Cummings Modell Theoretischer Hintergrund Eigenenergien:

Energieaufspaltung im Jaynes Cummings Modell Theoretischer Hintergrund Eigenenergien:

Experiment I Einführung Theoretischer Hintergrund – Jaynes-Cummings-Modell Experiment I – Normal Mode Spectroscopy of Atom-Cavity-System Experiment II – Photon Blockade with one trapped atom Zusammenfassung

Normal Mode Spectroscopy of Atom-Cavity-System Experiment I P. Maunz et al. (MPQ), Phys. Rev. Lett., 2005 Vakuum-Rabi-Aufspaltung sollte messbar sein

Experimenteller Aufbau Experiment I Schema des Experiments:

Experimenteller Aufbau Experiment I Schema des Experiments: Stehende Welle im Resonator:

Experimenteller Aufbau Experiment I Schema des Experiments: Stehende Welle im Resonator:

Experimenteller Aufbau Experiment I Schema des Experiments: Transmissionsmessung:

Fangen des Atoms Experiment I Fangen in Dipolfalle: 785nm - rotverstimmt 310 Maxima Detektion eines Atoms: 780nm – resonant 312 Maxima Fallentiefe erhöhen Ein Atom wird in der Mitte des Resonators gefangen

Atomarer Übergang in Rubidium Experiment I D2-Linie in 85Rb (F=3 zu F=4) σ+ polarisiertes Licht (mf=3 zu mf=4) effektives Zwei-Niveau-System

Kühlen des Atoms – Cavity Cooling Experiment I Stark-Shift vergrößert Energieaufspaltung im Atom Kühl- und Messintervalle 500μs Kühlen 100μs Messen

Ergebnisse Experiment I Vakuum-Rabi Aufspaltung bei Transmissionsmessung eindeutig sichtbar:

Ergebnisse Experiment I ωc ωa Höhe der Peaks abhängig von Detuning Δa Stark-Shift verändert Δa = ωc – ωa = 2π × 35MHz ωa ωc

Experiment II Einführung Theoretischer Hintergrund – Jaynes-Cummings-Modell Experiment I – Normal Mode Spectroscopy of Atom-Cavity-System Experiment II – Photon Blockade with one trapped atom Zusammenfassung

Photon Blockade with one trapped atom Experiment II Birnbaum et al. (Caltech), Nature, 2005 Vakuum-Rabi Aufspaltung

Photon Blockade with one trapped atom Experiment II Birnbaum et al. (Caltech), Nature, 2005 Vakuum-Rabi Aufspaltung Übergang in Cäsium (F=4 F‘=5) mit linear polarisiertem Licht

Experimenteller Aufbau Experiment II

Ergebnis Experiment II Paarkorrelationsfunktion zeigt klares Anti-Bunching der Photonen

Ergebnis Experiment II Oszillation des Atoms führt zu Schwankungen in Transmission

Zusammenfassung Einführung Theoretischer Hintergrund – Jaynes-Cummings-Modell Experiment I – Normal Mode Spectroscopy of Atom-Cavity-System Experiment II – Photon Blockade with one trapped atom Zusammenfassung

Zusammenfassung Cavity-QED: ein Atom mit einer Mode des EM Feldes Jaynes-Cummings Modell Eigenenergien Erstes Dublett: Vakuum-Rabi Aufspaltung Energiespektrum mit Cavity QED messbar Mögliche Anwendungen in Quantum Information