Zur Seitenansicht
 

Titelaufnahme

Titel
Collective radiation of coupled atomic dipoles and the precise measurement of time / von Mag. rer. nat. Laurin Ostermann
VerfasserOstermann, Laurin
Begutachter / BegutachterinParkins, Scott ; Chang, Darrick
Betreuer / BetreuerinRitsch, Helmut
ErschienenInnsbruck, Juni 2016
Umfangx, 181 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Univ., Dissertation, 2016
Anmerkung
Kurzfassung in englischer und deutscher Sprache
Kumulative Dissertation aus Sieben Artikeln
Datum der AbgabeJuni 2016
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Quantenoptik / Metrologie / Atomuhr / Messgenauigkeit
Schlagwörter (EN)Quantum Optics / Metrology / Atomic Clock / Measurement Precision
Schlagwörter (GND)Quantenoptik / Atomuhr / Dipol-Dipol-Wechselwirkung
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-4909 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
Dateien
Collective radiation of coupled atomic dipoles and the precise measurement of time [4.68 mb]
Links
Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Über die letzten Jahrzehnte wurden Atomuhren, die auf ultrakalten Atomen in optischen Gittern basieren, zur Speerspitze der Zeitmessung und der Spektroskopie. Ein sehr prominentes Beispiel dafür ist die $^ Anzahl von Atomen hoher Dichte nachteilige Effekte feststellen lassen. Daher schlagen wir ein verändertes Ramsey Messschema vor, indem wir Phasenseparation zwischen den einzelnen Quantensystemen ausnutzen, um superradiantes Verhalten durch subradiantes zu ersetzen. Dadurch erreichen wir einen beachtlichen Zuwachs der Interrogationszeit und letztlich eine verbesserte Sensitivität der spektroskopischen Prozedur. Wir untersuchen die vorgeschlagene Technik für größere Systeme und stellen fest, dass sich der Gewinn in der Interrogationszeit beinahe exponentiell zur Systemgröße verhält, ein vielversprechendes Ergebnis für Atomuhren.

Des weiteren entwickeln wir ein Verfahren, mit dem sich subradiante Zustände direkt präparieren lassen, anstatt diese durch Veränderungen der Phasen zu erzeugen. Mittels einer im Anregungslaser eingeschriebenen Phase oder eines Magnetfeldgradienten lassen sich beinahe perfekte Rabi-Oszillationen zwischen dem kollektiven Grundzustand und den am langsamsten zerfallenden, den subradiantesten, Zuständen im Subraum von ein und zwei Anregungen erreichen.

Außerdem untersuchen wir einen superradianten Laser, dessen aktives Medium durch in einem 'magic wavelength' Gitter befindliche Strontium-Atome gegeben ist. Wir zeigen, dass negative Effekte durch Dipol-Dipol-Wechselwirkung bei einem magic wavelength Gitter nahezu vernachlässigt werden können, während sie bei kleineren Gitterabständen relevante Störungen darstellen.

In weiteren Forschungsarbeiten, die während meines Doktorats entstanden sind, benützen wir einen molekularfeldtheoretischen Formalismus, um Frequenzverschiebungen und Zerfallsraten in realistisch großen Systemen unterschiedlicher Geometrien zu berechnen. Es zeigt sich dabei, dass quadratische und hexagonale Gitter spontanen Zerfall am besten zu unterdrücken scheinen, also am ehesten subradiante Zustände ausbilden.

In einer konzeptionell verwandten Arbeit untersuchen wir, gemeinsam mit experimentellen Photonikern, Emissionseigenschaften eines Quantum Dot, in dem Exziton- und Biexziton-Emissionen eine Zerfallskaskade bilden. Dieser Aufbau dient vornehmlich zur Erzeugung von zeitgeordnet verschränkten Photonen, wobei auch andere Prozeduren, wie Rabi-Oszillationen oder ein Ramsey-Schema, umgesetzt werden konnten.

Zusammenfassung (Englisch)

Ultracold optical lattice atomic clocks have made it to the forefront of timekeeping and spectroscopy over the last decade. A prominent example, that features a relative precision of $2\cdot10^ increase in probing time and ultimately a much better sensitivity in the spectroscopic procedure. We investigate our proposed technique for larger systems and find that the increase in probing time scales almost exponentially with the system size, indicating promising results for clock setups.

Furthermore, we develop a procedure that allows subradiant states to be prepared directly as opposed to preparing them by phase alteration. We use phase imprinting in the excitation laser or a large magnetic field gradient to realize almost perfect Rabi oscillations between the collective ground state and the slowest decaying, most subradiant, states in the single- and double-excitation manifold.

And, we employ our findings to study a superradiant laser, whose active medium is given by atoms sitting in a magic wavelength optical lattice. Here, we find that, at magic wavelength distance, the negative effects of dipole-dipole interaction can be largely ignored, while they become prominent at smaller lattice constants.

In additional research conducted during my doctoral studies, we use a mean-field treatment to calculate collective shifts and rates for realistically large systems of emitters in various geometries and find that square or hexagonal lattices seem to suppress collective emission, i.e., feature subradiance, the most.

In a conceptually similar fashion, closely collaborating with the Innsbruck-based experimental photonics group, we investigate emission properties from a quantum dot, where exciton and biexciton emission form a cascade of decay. This setup is aimed at creating time-bin entangled photons, yet other procedures like a Rabi oscillation or a Ramsey scheme have been implemented as well.