![Page 1: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/1.jpg)
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/
![Page 2: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/2.jpg)
Inhalt
Grundlagen, Techniken und
physikalische Fragestellungen
der Quantenoptik
![Page 3: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/3.jpg)
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
![Page 4: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/4.jpg)
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
![Page 5: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/5.jpg)
Übersicht
• Fallen für Atome
- Magneto-optische Falle
- Dipolfallen
- Optische Gitter
- Magnetische Fallen
- Ionenfallen
![Page 6: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/6.jpg)
Übersicht• Bose-Einstein-Kondensation
- Grundlagen der Bose-Einstein-Kondensation
- Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten
- Nachweis von Bose-Einstein-Kondensaten
- Grundlegende Experimente
![Page 7: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/7.jpg)
Übersicht
• Quanteninformationsverarbeitung
- Grundlagen der Quanteninformationsverarbeitung
- Experimentelle Ansätze
- Quanteninformationsverarbeitung mit Ionen
- Quanteninformationsverarbeitung mit Atomen
![Page 8: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/8.jpg)
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,-
![Page 9: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/9.jpg)
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,-
![Page 10: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/10.jpg)
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
![Page 11: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/11.jpg)
Ramsey –Spektroskopie und Ionenfallen
![Page 12: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/12.jpg)
Ramsey-Spektroskopie/Atomuhren
| 1>
| 0>| 0>
| e>
| g>
![Page 13: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/13.jpg)
Cäsium AtomuhrPTB Braunschweig
Ramsey-Spektroskopie/Atomuhren
![Page 14: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/14.jpg)
Speicherung von Ionen in Paul Fallen
![Page 15: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/15.jpg)
Linear Ionenfalle und Quadrupol-Speicherring
![Page 16: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/16.jpg)
Laserkühlungund optische Fallen
![Page 17: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/17.jpg)
![Page 18: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/18.jpg)
Laserkühlung und Magneto-optische Falle (MOT)
![Page 19: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/19.jpg)
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
![Page 20: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/20.jpg)
![Page 21: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/21.jpg)
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
![Page 22: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/22.jpg)
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).
![Page 23: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/23.jpg)
Bose-Einstein-Kondensation
![Page 24: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/24.jpg)
![Page 25: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/25.jpg)
Laser beam and light bulb
Laser lightOrdinary light
diffraction limited (directional)coherentone big wavesingle mode (monochromatic)
divergentincoherentmany small wavesmany modes
![Page 26: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/26.jpg)
Bose-Einsteincondensate
Ordinary gas
diffraction limited (directional)coherentone big wavesingle mode (monochromatic)
divergentincoherentmany small wavesmany modes
![Page 27: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/27.jpg)
BEC phase transition
MIT
JILA
![Page 28: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/28.jpg)
BEC in Darmstadt
3D-Bild von drei kalten Atomwolken @ 139nK, 62nK und 30 nK
TUD
![Page 29: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/29.jpg)
Atom Laser
![Page 30: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/30.jpg)
(Theorie der)Quantenoptik und Präzisions-spektroskopie
![Page 31: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/31.jpg)
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
![Page 32: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/32.jpg)
Zum Vergleich: Mechanische Oszillatoren
Wichtig sind immer: Oszillator und Zählwerk
Quantenoptik: Atom = Oszillator; Frequenzkamm = Zählwerk
![Page 33: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/33.jpg)
Aufbau eines optischen Frequenzkammgenerators
Garchinger Frequenzkamm (T. Hänsch et al.)
![Page 34: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/34.jpg)
Messung und Manipulation individueller Quantensysteme
![Page 35: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/35.jpg)
Kontrolle individueller Quantensysteme
www.nobelprize.org
![Page 36: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/36.jpg)
Individuell kontrolliebare Ionen in Ionenfallen
Lineare Ionenkristalle
Zentrales Element für quantenphysikalische Experimente mit Ionen
www.nobelprize.org
Universität Innsbruck
![Page 37: Moderne Optik 2016 Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] · 2017-10-16 · Microsoft PowerPoint - Moderne_Optik_2016_Uebersicht.ppt [Kompatibilitätsmodus] Author: gerhard Created](https://reader030.vdokument.com/reader030/viewer/2022040818/5e638c3c925f6a74bd319a58/html5/thumbnails/37.jpg)
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