Page 1
1 1 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Lichtspeicherung in Atomaren
Kohärenzen
Im Rahmen des Seminars: Quantenoptik und nichtlineare Optik WS2010/2011
Christian Stock
Page 2
2
oWiederholung
oGrundlagen
oExperimente
oChronik
oRb - Walsworth (2001)
oNa - Liu (2001)
oAusblick
15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Gliederung
Page 3
3 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Wiederholung: EIT
Anforderungen
o 3-Niveau-System
o Kopplungs- und Nachweislaser
o |1 |2 Dipolverboten
o Geringe Dopplerverbreiterung
o Ω𝐾 > Zerfallskonstanten
o Zeitlich und Räumlich überlappende Lichtfelder
EIT Medium
Kopplungslaser
Nachweislaser
Page 4
4 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Dispersion Absorption
Wiederholung: EIT
Verstimmung Verstimmung
Page 5
5
|a0 = cos θ |1 − sin θ |2
HWW =
−ℏ
2
0 0 ΩN
0 0 ΩK
ΩN ΩK −∆
15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
H0 =
E1 0 00 E2 00 0 E3
Eigenzustände E1 ⇒ |1
E2 ⇒ |2
E3 ⇒ |3
|a+ = sin θ sinϕ|1 + cos θ sinϕ|2 + cosϕ|3
|a− = sin θ cosϕ|1 + cos θ cosϕ|2 − cosϕ|3
tan θ=ΩN
ΩK tan 2ϕ =
ΩN2 + ΩK
2
Δ
Dunkelzustand
Wiederholung: EIT
Page 6
6 15. Dezember 2010 15. Dezember 2010
Gruppen- und Phasengeschwindigkeit
Wiederholung: Slow Light
Verstimmung
Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Page 7
7 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Wiederholung: Slow Light
o geringe Absorption
o hohe Dispersion ~ 1
ΩK2
o vg =c
n+ng mit n = 1 und ng =
kc
ΩK2
o Verlangsamung und Stauchung des Nachweispulses
o Temporärer Energietransfer in Kohärenz und
Kopplungslaser
o Photonen + Kohärenz
Energietransfer
Polariton
𝐯𝐠~𝛀𝐊
Page 8
8 15. Dezember 2010 15. Dezember 2010
Wiederholung: Slow Light
o Tranparenzbreite ΔωF z ~ ΩK
o Spektrale Breite ΔωN z ≈ ΔωN 0
ΔωN
ΔωF Nachweisverstimmung
Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Page 9
9 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Grundlagen: Motivation
Motivation Lichtspeicherung
o Niedrige Gruppengeschwindigkeit
o Geringe Absorption trotz hoher Dispersion
o Stärkste Verlangsamung bei ca. 10m
s
o Problem bei kurzen Pulsen
Absorption
Page 10
10 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Motivation Lichtspeicherung
o Bisher: Zeitlich konstantes Kopplungslichtfeld
Hau et al. (1999)
o Nun: Zeitlich veränderliches Kopplungslichtfeld
Grundlagen: Motivation
Page 11
11 15. Dezember 2010
Zeit Kopplungspuls Auslesepuls
Grundlagen:
Inte
nsität
Signal Nachweispuls
Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Verstimmung
1.
2. 3.
1. 2. 3.
Page 12
12 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Ψ z, t =cos θ cΩN z, t − sin θ ϱρ21eiΔkz
Φ z, t =sin θ cΩN z, t + cos θ ϱρ21eiΔkz
Dunkelpolariton:
Leuchtpolariton:
tan² θ t = ϱg²
ΩK= ng
Lichtfeld Spin Kohärenz
Grundlagen: Das Polariton
Kohärenz
Page 13
13 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
𝜕
𝜕t+ c cos² θ(t)
𝜕
𝜕z Ψ z, t ~Φ z, t = 0
vg = c cos² θ(t)
Grundlagen: Das Polariton
tan² θ t = ϱg²
ΩK= ng
Page 14
14 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Grundlagen: Das Polariton
Page 15
15 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Atome müssen der Feldänderung folgen können!
ΩN2 + ΩK
2 ≫d
dt
ΩN(t)
ΩK(t)
Grundlagen: Adiabasiekriterium
Page 16
16 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
o Spektrale Breite ΔωN t ≈ ΔωN 0cos² θ(t)
cos² θ(0)
o Tranzparenzbreite ΔωF t = ΔωF 0cot² θ(t)
cot² θ(0)
o Verhältnis:
ΔωN t
ΔωF t≈
ΔωN 0
ΔωF 0
sin² θ(t)
sin² θ(0)
Grundlagen:
tan² θ t = ϱg²
ΩK= ng
Page 17
17 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Experimente: Chronik
oUm 1990 EIT
o1999 Ultra-Langsames Licht 17m
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)
Page 18
18 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
o2003 „Gefangenes Licht“ (S. Yelin, Harvard)
o2004 5ms (CfA)
/2005 Einzelphoton Lichtspeicherung (Chou, Caltech und
Eisaman, Harvard)
o …
Experimente: Chronik
Page 19
19 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Experimente: (Walsworth 2001)
D. F. Phillips et al., PRL 86, 783–786 (2001) und
A. Mair et al., PR A 65, 031802(R) (2002)
Page 20
20 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Experimente: (Walsworth 2001)
Page 21
21 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Experimente: (Walsworth 2001)
Page 22
22 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Experimente: Liu(2001)
C. Liu
et al., Nature
409, 490 (2001)
Page 23
23 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Experimente: Liu(2001)
Page 24
24 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Experimente: Liu(2001)
Page 25
25 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Experimente: Liu(2001)
Page 26
26 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Ausblick: Bildspeicherung
Bildspeicherung in 𝑅𝑏 87
M. Shuker et al., PRL 100, 223601 (2008)
Page 27
27 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Ausblick: Bildspeicherung mit Rephasierung
Page 28
28 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Ausblick: Bildspeicherung mit Rephasierung
Page 29
29 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Ausblick: Bildspeicherung mit Rephasierung
Bildspeicherung mit Rephasierung in Pr3: Y2SiO5
G. Heinze et al, PR A 81, 011401(R) (2010) und Master Thesis A. Rudolf
Page 30
30 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Ausblick: Rephasierung und Stabilisierung
Lichtspeicherung mit Rephasierung in Pr3: Y2SiO5, J.J. Longdell et al, PRL 95, 063601 (2005)
Page 31
31 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Ausblick: Einzelphoton-Speicherung
Page 32
32 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Ausblick: Einzelphoton-Speicherung
M. D. Eisaman
et al, Nature
438, 837 (2005)
Page 33
33 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Zusammenfassung
oEIT
o“Slow Light”
oPolariton
oAdiabasie
oKohärenz erhalten
oPhase erhalten
Page 34
34 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Ende
Vielen Dank!
Page 35
35
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,
011401(R) (2010)
oC. Liu et al., Observation of coherent optical information storage in an
atomic medium using halted light pulses, Nature 409, 490 (2001)
15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Quellen
Page 36
36
oD.F. Phillips et al., Storage of Light in Atomic Vapor, PRL 86, 783-786
(2001)
oA. Mair et al., Phase coherence and control of stored photonic
information, Phys. Rev. A 65, 031802(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, 223601
(2008)
oM. Fleischhauer und M. D. Lukin, Quantum memory for photons: Dark-
state polaritons, PR A 65, 022314
15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Quellen
Page 37
37
oJ.J. Longdell et al, Stopped light with storage times greater than one
second using EIT in a solid, PRL 95, 063601 (2005)
oM. D. Eisaman et al, Electromagnetically induced transparency with
tunable single-photon pulses, Nature 438, 837 (2005)
15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
Christian Stock
Quellen