Optische Detektion von Rydbergpopulationen und Kohärenzen

Abstract

Diese Arbeit präsentiert eine neue Technik zur optischen Detektion der Besetzungen von Rydbergzuständen, welche auf der zeitaufgelösten Messung der elektromagnetisch induzierten Transparenz beruht, und demonstriert diese experimentell. Sie erlaubt nicht nur die Messung von Rydbergpopulationen in atomaren Ensembles, sondern prinzipiell auch die Bestimmung der Kohärenzen zwischen Grund- und Rydbergzuständen. Im Gegensatz zu bisherigen Techniken, basierend auf selektiver Feldionisation, ermöglicht unser optisches Messschema den gleichzeitigen Nachweis von Besetzungen und Kohärenzen ohne das atomare Ensemble dabei zu zerstören. Damit öffnen sich neue Möglichkeiten im Bereich der kohärenten Manipulation und Detektion von Quantensystemen basierend auf Rydbergatomen. In unserem Experiment haben wir den Anteil der Atome im |35S 1/2>-Zustand im Bereich von bis zu 50 % eines ultrakalten Ensembles von 87Rb-Atomen mit einer Genauigkeit von +/- 1 % gemessen. Da für die präzise optische Präparation, Manipulation und Detektion von Rydbergzuständen die elektronische Struktur ausschlaggebend ist, wurde diese im Rahmen der Arbeit im Detail untersucht. Insbesondere wurden die Übergangsfrequenzen von 87Rb durch optische Spektroskopie basierend auf elektromagnetisch induzierter Transparenz mit einer Präzision von +/- 1 MHz gemessen und damit der Quantendefekt berechnet. Mit den verbesserten Daten zum Quantendefekt bestimmten wir die Ionisationsenergie von Rubidium um zwei Größenordnungen genauer als zuvor. Diese experimentellen Ergebnisse gaben Anlass für die Entwicklung eines optimierten theoretischen Modells für das Potential des Ionenrumpfs von 87Rb. Es beschreibt die Feinstrukturaufspaltung von P- und D-Rydbergzuständen von 87Rb mit einer Hauptquantenzahl n > 30 mit einer Genauigkeit von < 10 MHz, zwei Größenordnung besser als bisherige Modelle. Der Einfluss von elektrischen Feldern auf Rydbergzustände ist ebenfalls wichtig für das Verständnis von Ergebnissen unter realistischen experimentellen Bedingungen. Deswegen wurde die Stark-Aufspaltung von Rydbergzuständen in einem elektrischen Feldbereich von bis zu 500 V/cm mit einer Präzision von bis zu 2 MHz gemessen, wodurch einschlägige Theorien bis weit über die klassische Ionisationsgrenze hinaus verifiziert werden konnten. Eine Anwendung der Rydbergspektroskopie zur Charakterisierung von inhomogenen elektrischen Feldverteilungen in der Nähe von Oberflächen in Abständen zwischen 30 µm und 300 µm wurde demonstriert.

This thesis introduces a novel technique for the all-optical detection of Rydberg atoms inensembles of cold atoms. We show that time-resolved measurements of electromagnetically induced transparency can simultaneously provide information about both the population of atoms in a given Rydberg state, as well as the coherence between ground and Rydberg states. In contrast to existing techniques based on selective field ionisation our measurement scheme is non-destructive, thus opening up new possibilities in the field of coherent manipulation and detection of quantum systems based on Rydberg atoms. In our experiment we measured the fraction atoms excited to the |35S 1/2> state in an ultracold ensemble of 87Rb atoms with an accuracy of +/- 1 %. Precise knowledge of the electronic structure of the atom under investigation is crucial for the optical preparation, manipulation and detection of Rydberg atoms. We therefore measured the transition frequencies of Rydberg atoms of 87Rb by means of spectroscopy based on electromagnetically induced transparency with an accuracy of +/- 1 MHz and calculatedthe quantum defect. Improving the value of the quantum defect has lead to a two orders of magnitude increase in the accuracy of the knowledge of the ionisation energy of rubidium. These experimental results encouraged the development of an optimized theoretical model for the potential of the atomic core of 87Rb. It describes the fine stucture splitting in P and D Rydberg states of 87Rb with a principal quantum number n > 30 with an accuracy of < 10 MHz, thus two orders of magnitude better than previous models. Understanding the influence of electric fields on Rybderg states is critical to interpreting results under realistic experimental conditions. We have therefore measured the Stark splitting of Rydberg atoms in electric field strengths up to 500 V/cm at an accuracy of up to 2 MHz. These measurements were used to verify established theories far beyond the ionisation threshold. An application of the Rydberg spectroscopy based on electromagnetically induced transparency has been demonstrated in characterising an inhomogeneous electric field in the vicinity of a surface with distances between 30 µm and 300 µm.