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
2
oWiederholung
oGrundlagen
oExperimente
oChronik
oRb - Walsworth (2001)
oNa - Liu (2001)
oAusblick
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Gliederung
3 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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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
4 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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Dispersion Absorption
Wiederholung: EIT
Verstimmung Verstimmung
5
|a0 = cos θ |1 − sin θ |2
HWW =
−ℏ
2
0 0 ΩN
0 0 ΩK
ΩN ΩK −∆
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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
6 15. Dezember 2010 15. Dezember 2010
Gruppen- und Phasengeschwindigkeit
Wiederholung: Slow Light
Verstimmung
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7 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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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
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
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9 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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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
10 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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Motivation Lichtspeicherung
o Bisher: Zeitlich konstantes Kopplungslichtfeld
Hau et al. (1999)
o Nun: Zeitlich veränderliches Kopplungslichtfeld
Grundlagen: Motivation
11 15. Dezember 2010
Zeit Kopplungspuls Auslesepuls
Grundlagen:
Inte
nsität
Signal Nachweispuls
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Verstimmung
1.
2. 3.
1. 2. 3.
12 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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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
13 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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𝜕
𝜕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
14 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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Grundlagen: Das Polariton
15 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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Atome müssen der Feldänderung folgen können!
ΩN2 + ΩK
2 ≫d
dt
ΩN(t)
ΩK(t)
Grundlagen: Adiabasiekriterium
16 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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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
17 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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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)
18 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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o2003 „Gefangenes Licht“ (S. Yelin, Harvard)
o2004 5ms (CfA)
/2005 Einzelphoton Lichtspeicherung (Chou, Caltech und
Eisaman, Harvard)
o …
Experimente: Chronik
19 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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Experimente: (Walsworth 2001)
D. F. Phillips et al., PRL 86, 783–786 (2001) und
A. Mair et al., PR A 65, 031802(R) (2002)
20 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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Experimente: (Walsworth 2001)
21 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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Experimente: (Walsworth 2001)
22 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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Experimente: Liu(2001)
C. Liu
et al., Nature
409, 490 (2001)
23 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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Experimente: Liu(2001)
24 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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Experimente: Liu(2001)
25 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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Experimente: Liu(2001)
26 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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Ausblick: Bildspeicherung
Bildspeicherung in 𝑅𝑏 87
M. Shuker et al., PRL 100, 223601 (2008)
27 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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Ausblick: Bildspeicherung mit Rephasierung
28 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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Ausblick: Bildspeicherung mit Rephasierung
29 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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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
30 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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Ausblick: Rephasierung und Stabilisierung
Lichtspeicherung mit Rephasierung in Pr3: Y2SiO5, J.J. Longdell et al, PRL 95, 063601 (2005)
31 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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Ausblick: Einzelphoton-Speicherung
32 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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Ausblick: Einzelphoton-Speicherung
M. D. Eisaman
et al, Nature
438, 837 (2005)
33 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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Zusammenfassung
oEIT
o“Slow Light”
oPolariton
oAdiabasie
oKohärenz erhalten
oPhase erhalten
34 15. Dezember 2010 Institut Für Angewandte Physik | Seminar: Quantenoptik / nichtlineare Optik | Vortrag: Lichtspeicherung
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Ende
Vielen Dank!
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)
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Quellen
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
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Quellen
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)
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Quellen