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Moderne Optik Schwerpunkt Quantenoptik
Vorlesung im Wintersemester 2017/2018
Prof. Dr. Gerhard Birkl
ATOME - PHOTONEN - QUANTEN
Institut für Angewandte Physik
Raum: S2/15-125 - Telefon: 16-20410 - email: [email protected]
http://www.iap.tu-darmstadt.de/apq/
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Inhalt
Grundlagen, Techniken und
physikalische Fragestellungen
der Quantenoptik
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Übersicht• Wechselwirkung von Strahlung und Atomen
- Kohärente Anregung von Atomen
- Ramsey-Experimente
- Atomuhren
- Atominterferometer
• Resonanzfluoreszenz
- Beschreibung der Wechselwirkung von Licht mit Atomen unter spontanem Zerfall
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Übersicht
• Laserkühlung
- Wechselwirkung von Licht mit Atomen unter Änderung des Bewegungszustandes
- Laserkühlung von Atomen und Ionen
(Doppler-Kühlung)
- Sub-Doppler-Kühlung
- Erreichbare Temperaturen und Limitierungen
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Übersicht
• Fallen für Atome
- Magneto-optische Falle
- Dipolfallen
- Optische Gitter
- Magnetische Fallen
- Ionenfallen
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Übersicht• Bose-Einstein-Kondensation
- Grundlagen der Bose-Einstein-Kondensation
- Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten
- Nachweis von Bose-Einstein-Kondensaten
- Grundlegende Experimente
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Übersicht
• Quanteninformationsverarbeitung
- Grundlagen der Quanteninformationsverarbeitung
- Experimentelle Ansätze
- Quanteninformationsverarbeitung mit Ionen
- Quanteninformationsverarbeitung mit Atomen
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LiteraturAusgewählte Kapitel aus:
• L. Allen, J. Eberly ‚Optical Resonance and Two-Level Atoms‘
Dover Publications, 1988, ca. € 15,-
• J. Weiner, P.-T. Ho‚Light-Matter Interaction (vol. 1)‘
Wiley, 2003, ca. € 61,-
• H. Metcalf, P. van der Straten‚Laser Cooling and Trapping‘
Springer, 2001, ca. € 43,-
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LiteraturAusgewählte Kapitel aus:
• C.J. Pethik, H. Smith‚Bose-Einstein Condensation in Dilute Gases‘Cambridge, 2002, ca. € 66,-
• J. Stolze, D. Suter ‚Quantum Computing‘Wiley-VCH, 2008, ca. € 55,-
• D. Bouwmeester, A. Ekert, A. Zeilinger ‚The Physics of Quantum Information‘
Springer, 2000, ca. € 75,-
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Aktuelle Forschung in der Quantenoptik
• Ramsey-Spektroskopie und Ionenfallen
• Laserkühlung und optische Fallen
• Bose-Einstein-Kondensation
• (Theorie der) Quantenoptik und Präzisionsspektroskopie mit Lasern
• Messung und Manipulation von individuellen Quantensystemen
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Ramsey –Spektroskopie und Ionenfallen
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Ramsey-Spektroskopie/Atomuhren
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Cäsium AtomuhrPTB Braunschweig
Ramsey-Spektroskopie/Atomuhren
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Speicherung von Ionen in Paul Fallen
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Linear Ionenfalle und Quadrupol-Speicherring
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Laserkühlungund optische Fallen
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Laserkühlung und Magneto-optische Falle (MOT)
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Magneto-optische Falle (MOT)
Typische Parameter
Atomspezies:Alkaliatome, metastabile Edelgase (Li, Na, Rb, Cs, He, Ne, ...)
Atomzahl: 108
Temperatur:10 mK
Dichte:1010 cm-3
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Refraktives und diffraktives Mikrolinsenarray
Selektive Addressierung einzelner Dipolfallen
Dipolfallen
Mikrolinsenarray
Vielfachrealisierung von optischen Mikropotentialen
Vielfachrealisierung von Dipolfallen durch Fokussieren eines (weit) rot-verstimmten Laser-strahls mit einem Mikrolinsenarray
Kleine Foki durch hohe Numerische Apertur
Großer Abstand der Mikrolinsen (typisch 100µm) ermöglicht getrennte räumliche Adressierung der Einzelfallen
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Vielfachrealisierung von Mikropotentialen
Vielfachrealisierung von individuell kontrollierbaren Quantensystemen in optischen Mikropotentialen
Anzahl der Fallen > 50
Fallenparameter für das Dipolfallenarray:
P = 10 mW pro Falle
Fallengröße w0 = 6 µm
Fallentiefe = 16 mK
Atome pro Falle= 2·103
R. Dumke, M. Volk, T. Müther, F.B.J. Buchkremer, G. Birkl, and W. Ertmer, Phys. Rev. Lett. 89, 097903 (2002).
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Bose-Einstein-Kondensation
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Laser beam and light bulb
Laser lightOrdinary light
diffraction limited (directional)coherentone big wavesingle mode (monochromatic)
divergentincoherentmany small wavesmany modes
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Bose-Einsteincondensate
Ordinary gas
diffraction limited (directional)coherentone big wavesingle mode (monochromatic)
divergentincoherentmany small wavesmany modes
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BEC phase transition
MIT
JILA
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BEC in Darmstadt
3D-Bild von drei kalten Atomwolken @ 139nK, 62nK und 30 nK
TUD
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(Theorie der)Quantenoptik und Präzisions-spektroskopie
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Prinzip der Frequenzmessung
1, 2, 3, ...
Oszillator Zählwerk
- Pendel - mechanische Zähler- Quarzoszillator - elektronische Zähler- optischer Oszillator - optisches Zählwerk
Ziel bei der Entwicklung von Oszillatoren:Erreichen möglichst hohe Güte: Q = f / Df
Hohe Frequenz f und geringe Linienbreite Df
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Zum Vergleich: Mechanische Oszillatoren
Wichtig sind immer: Oszillator und Zählwerk
Quantenoptik: Atom = Oszillator; Frequenzkamm = Zählwerk
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Aufbau eines optischen Frequenzkammgenerators
Garchinger Frequenzkamm (T. Hänsch et al.)
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Messung und Manipulation individueller Quantensysteme
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Kontrolle individueller Quantensysteme
www.nobelprize.org
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Individuell kontrolliebare Ionen in Ionenfallen
Lineare Ionenkristalle
Zentrales Element für quantenphysikalische Experimente mit Ionen
www.nobelprize.org
Universität Innsbruck
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Individuell kontrolliebare Ionen in Ionenfallen
G. Birkl, S. Kassner, and H. Walther, Nature 357, 310 (1992).
Universität Innsbruck
Lineare Ionenkristalle
Zentrales Element für quantenphysikalische Experimente mit Ionen