Titelaufnahme

Titel
Quantum optics with Rydberg atoms and ions / vorgelegt von Alexander W. Glätzle
VerfasserGlätzle, Alexander W.
Betreuer / BetreuerinZoller, Peter
Erschienen2014
UmfangXVI, 176 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Diss., 2014
Anmerkung
Enth. u.a. 7 Veröff. d. Verf. aus den Jahren 2012 - 2013 . - Zsfassung in dt. Sprache
Datum der AbgabeSeptember 2014
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Rydberg / Quantenoptik / Vielteilchensysteme / Dekohärenz / Spin Ice / Polare Moleküle
Schlagwörter (GND)Quantenmechanisches System / Dissipatives System / Atom / Rydberg-Zustand / Polares Molekül / Quantensimulator / Quantenspinsystem
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Rydberg-Atome eignen sich in idealer Weise stark korrelierte Quantensysteme zu untersuchen und sind eine vielversprechende Plattform für die Quanteninformationsverarbeitung. Insbesondere Rydberg-Atome in optischen Gittern haben ein großes Potenzial um Quanten-Vielteilchensysteme zu simulieren. Sie bieten neue, aussichtsreiche Eigenschaften wie flexible, isotrope oder anisotrope, langreichweitige Wechselwirkungspotentiale; die Möglichkeit effektive Wechselwirkungspotentiale mit Laserparametern zu gestalten; schnelle und präzise Steuerung des simulierten Hamiltonoperators und einstellbare und kontrollierbare dissipative Effekte.

Der erste Teil der Dissertation untersucht Mischungen von Rydberg Atomen und polaren Molekülen als offene Quantensysteme. Insbesondere pra sentieren wir eine Möglichkeit, dreidimensionale Wechselwirkungspotentiale zwischen Rydberg Atomen und polaren Molekülen zu konstruieren, mit dem Ziel, generische polare Moleku le direkt zu kühlen. Die Atome dienen als (Niedertemperatur-) Reservoir sowohl für elastische wie auch für inelastische Stöße mit bemerkenswerten und potenziell nu tzlichen Eigenschaften: stark abstoßende langreichweitige Potentiale schützen vor ungewollten in- elastische Kollisionen auf kurze Entfernung, und sehr große elastische Streuquerschnitte fu hren zu schneller Thermalisierung. Darüber hinaus konzipieren wir eine kontrollierte dissipative (inelastisch) Kollision, bei der ein spontan emittiertes Photon die (kinetische) Energie der Kollisionspartner a hnlich wie bei einem ‘Sisyphus-Effekt abtransportiert, wodurch eine erhebliche Menge an Energie in einer einzigen Kollision entfernt werden kann. Zusätzlich untersuchen wir die Langzeitstabilität eines Rydberg Gases, wenn Dekohärenzprozesse, wie spontane Emission und Schwarzkörperstrahlung nicht vernachlässigt werden können und zu starken mechanischen Effekten führen. Im Speziellen un- tersuchen wir das Zusammenspiel von Laser-Kühlung und Heizdynamik durch Dekoha renz mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen.

Ein zweites Thema dieser Arbeit bezieht sich auf die Implementierung von Quantensimulatoren fu r verschiedene Quanten-Spin-Modelle mit Rydberg-Atomen und Ionen im speziellen frustrierter Magnetismus. Wir präsentieren einen Vorschlag zur Implementierung von Quanten-Spin-Eis ein paradigmatisches Beispiel ist, wie die Physik der frustrierten Magnete mit Eichtheorien zusammenhängt. Das Ziel ist es, mit kalten Rydbergatomen Wechselwirkungen zu entwerfen, die ein vere- infachtes Modell von Quanten-Spin-Eis auf einem zweidimensionalen Schachbrettgitter realisieren. Wir entwickeln dafu r eine Atomphysik Toolbox, die auf den neuesten experimentellen Fortschritten aufbaut, und die starke Winkelabha ngigkeit der van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen hohen Drehimpuls Rydberg-Zuständen mit der Möglichkeit stufenartigen Potenziale zu konstruieren kom- biniert. Dies erlaubt es uns, abelsche Eichtheorien basierend auf verschiedenen Geometrien zu konstruieren, die mit den momentanen Experimenten realisiert werden ko nnen.

Zusammenfassung (Englisch)

Rydberg atoms are a promising platform for quantum information processing with the prospect to explore the quantum dynamics of strongly-correlated systems. In particular, Rydberg atoms in optical lattices have a great potential for simulating quantum many-body physics. They offer genuinely new capabilities including tunable, isotropic or anisotropic long-range interactions, the possibility to shape the effective interaction potentials using laser parameters, fast and precise control of the simulated Hamiltonian and the engineering of controlled dissipative effects.

The first part of this thesis is concerned with mixtures of Rydberg atoms and polar molecules as open quantum systems. In particular, we propose a scheme to engineer three dimensional interaction potentials between laser-dressed Rydberg atoms and ground state polar molecules in order to achieve direct cooling of generic polar molecules. The atoms act as a designed (low-temperature) reservoir for both elastic and inelastic collisions with remarkable and potentially useful properties: strong repulsive shields protect from inelastic collisions at short range and exceedingly large elastic scattering cross sections lead to rapid thermalization. Moreover, we discuss a dissipative (inelastic) collision where a spontaneously emitted photon carries away (kinetic) energy of the collisional partners similar to a ‘collisional Sisyphus effect, thus providing a significant energy loss in a single collision. Addition- ally, the long-time stability of a Rydberg dressed gas is studied, where decoherence processes such as spontaneous emission and black-body radiation can lead to strong mechanical effects. We inves- tigate the interplay between laser-cooling and heating dynamics due to decoherence by performing molecular dynamics simulations.

The second topic of this thesis concerns the implementation of quantum simulators for various quantum-spin models characterizing frustrated magnets using Rydberg atoms and ions. In particular, we present a discussion of quantum spin ice, which represents a paradigmatic example on how the physics of frustrated magnets is related to gauge theories. The goal is to assemble a system of cold Rydberg atoms and to design interactions that realize a toy model of quantum spin ice on a two- dimensional checkerboard lattice. We develop an atomic toolbox, building on the recent experimental advances and combine the strong angular dependence of van der Waals interactions between high angular momentum Rydberg states with the possibility of designing step-like potentials using ground state atoms weakly dressed by Rydberg states. This allows us to implement Abelian gauge theories in a series of geometries, which could be demonstrated within state of the art experiments.