Titelaufnahme

Titel
Quantum simulation of nonlinear atom-photon dynamics in optical resonators / vorgelegt von Dipl. Phys. Raimar Marcel Sandner
Weitere Titel
Quantensimulation nicht-linearer Atom-Photon-Dynamik in optischen Resonatoren
VerfasserSandner, Raimar Marcel
Begutachter / BegutachterinRitsch, Helmut ; Domokos, Peter
Betreuer / BetreuerinRitsch, Helmut
ErschienenInnsbruck, April 2016
Umfang140 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Univ., Dissertation, 2016
Anmerkung
Kurzfassung in deutscher und englischer Sprache
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfassers
Kumulative Dissertation aus Vier Artikeln
Datum der AbgabeApril 2016
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Physik / Quantenoptik / Hohlraum-Quantenelektrodynamik
Schlagwörter (EN)physics / quantum optics / cavity QED
Schlagwörter (GND)Optischer Resonator / Quantensimulator / Atom-Photon-Wechselwirkung
Zugriffsbeschränkung
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Bei der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie wird der Impuls, den Photonen führen, an Atome übertragen und umgekehrt. Die resultierenden mechanischen Kräfte können genutzt werden, um Atomwolken oder sogar einzelne Atome auf eine Temperatur nahe am absoluten Nullpunkt zu kühlen und auf kleinstem Raum gefangen zu halten, Bedingungen also bei denen die Quanteneigenschaften der Materie zu Tage treten.

Im freien Raum ist die Wechselwirkung zwischen einem einzelnen Photon und einem Atom jedoch schwach. Das optische Potential eines Lasers wird daher gewöhnlich von einer enormen Anzahl von Photonen generiert und spielt die Rolle eines klassischen Potentials. Ein optischer Resonator dagegen, also zwei sphärische Spiegel die einen Hohlraum bilden, kann einzelne Photonen einschließen und viele Male reflektieren bevor sie verloren gehen. Im Parameterbereich starker Kopplung der Hohlraum-Quantenelektrodynamik (Cavity QED) kann ein Photon von einem Atom wiederholt absorbiert und abgestrahlt werden, und selbst die Kräfte die von einem einzelnen Photon erzeugt werden können ausreichen, um ein Atom zu fangen. Umgekehrt hat die Bewegung eines Atoms einen großen Einfluss auf das Feld innerhalb des Hohlraums, da ein Atom die Resonanzfrequenz in Abhähngigkeit seiner Position relativ zur Mode verschiebt. Das optische Potential wird dadurch zu einer aktiven Komponente mit einer vielfältigen nicht-linearen Dynamik zwischen Atomen und Photonen. Photonen die aus dem Resonator entweichen transportieren Informationen über das System und dienen zusätzlich als Dissipationskanal, ein zentraler Bestandteil von auf Hohlraumresonatoren basierenden Kühlmethoden. Cavity QED bietet einige einzigartige Möglichkeiten zur Handhabung individueller Quanten-Objekte. Oft ist die Motivation in diesem Bereich Grundlagenforschung, zum Beispiel die direkte Beobachtung von Dekohärenz oder von nicht-klassischen Zuständen des Lichts und der Materie. Zusätzlich haben die entwickelten Techniken potentielle Anwendungen in der Quanten-Informationsverarbeitung und für Quantencomputer.

Diese Doktorarbeit fasst meine Forschung zur Theorie der Cavity QED zusammen. Fortschrittliche Computer ermöglichen heute die Simulation einiger Teilchen in Wechselwirkung mit einer oder mehreren Hohlraummoden, wobei die kompletten Quanteneigenschaften aller Bestandteile mit einbezogen werden können. Wir demonstrieren wie ein Ringresonator zur Entstehung von nicht-klassischen Impulskorrelationen und Verschränkung beiträgt. Numerische Simulationen zu einer resonatorgestützten Kühlmethode werden präsentiert, die verglichen mit konventioneller Laserkühlung für eine größere Klasse von Teilchen anwendbar ist und zu niedrigeren Temperaturen sehr nahe am Nullpunkt zu führen verspricht. Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Phänomen der Selbstorganisation, ein Phasenübergang hin zu einer kristallinen Struktur, die durch Interferenz zwischen der Hohlraummode und seitlich eingestrahltem Laserlicht begünstigt wird. Wir untersuchen den Einfluss der Quantenstatistik auf den Ordnungsübergang und bestätigen eine stark herabgesetzte Schwelle für das Eintreten des Phasenübergangs bei einem degenerierten Fermigas, falls die Fermienergie eine bestimmte Resonanzbedingung erfüllt.

Zusammenfassung (Englisch)

When light and matter interacts, the momentum carried by photons is transferred to atoms and vice versa. The resulting mechanical forces can be tailored to cool atomic clouds or even single atoms to temperatures close to absolute zero and to trap them in a small region of space, a regime where the quantum nature of particles becomes significant.

In free space, however, the interaction of a single photon with an atom is weak. The optical potential of lasers therefore usually is generated by an enormous number of photons and plays the role of a classical potential. In contrast, an optical resonator composed of two spherical mirrors forming a cavity can confine single photons and reflect them many times before they are lost. In the strong coupling regime of \emph theory. Advances in computational power allow the simulation of several particles interacting with one or several cavity modes while taking the full quantum nature of all constituents into account. In this few-particle regime, we demonstrate the emergence of non-classical momentum correlations and entanglement mediated by the two modes of a ring cavity. We present numerical simulations of a cavity-assisted cooling scheme which is expected to work with a larger class of particles and provide lower final temperatures than conventional laser cooling methods. In the last part, we turn to the phenomenon of self-organisation, a phase transition to a crystalline structure induced by interference between the cavity mode and laser light shone on the particles from the side. We investigate the impact of quantum statistics and confirm a strong suppression of the threshold for the onset of the phase transition if a degenerate Fermi gas fulfills certain resonance conditions.